Хитромудрі патерни забарвлення тварин у вигляді смужок, комірок і плям можуть виникати через самоорганізації речовини – це припустив ще Алан Тьюринг. Однак його модель не пояснює різкі переходи на таких візерунках. З цим впорався новий підхід до моделювання моделей Тьюринга, який враховує конвекцію та різницю розмірів взаємодіючих частинок.
Тропічна риба Aracana ornata / © Julian Finn, Музеї Вікторії
Багато звірів, риб та інших тварин покриті складним орнаментом — він утворений чергуванням смуг, хвилястими лініями, плямами, шестикутними комірками і так далі. Вчених давно цікавило, звідки беруться подібні візерунки. Одне з кращих пояснень запропонував Алан Тьюринг, який відомий насамперед як математик, логік і криптограф, що зробив великий вплив на становлення інформатики. Тьюринг не обмежувався цими галузями науки: в 1952 році він випустив статтю «Хімічні основи морфогенезу», де пояснював виникнення «тварин візерунків» появою неоднорідностей в початково гомогенній суміші речовин.
Згідно з Тьюрингом, такі складні патерни – це результат процесу самоорганізації матерії. Їх формування підпорядковується тим же самим закономірностям, що і багато інших явищ живої і неживої природи. Надалі вони стали відомі як “патерни Тьюринга”.
Класична модель таких патернів добре описує безліч процесів — від утворення комірчин в емульсійних розчинах до формування пальців на кінцівках. Однак вона не пояснює контрастності плям і смуг на тілі тварин — спостерігаються в природі переходи набагато різкіше, ніж слід очікувати.
- Вчені з’ясували, про що птахи співають яйцям
- Площа морського льоду в Арктиці досягла річного мінімуму
- Вчені остаточно зруйнували стереотип про “чоловіків-мисливців” і “жінок-збирачів”
Автори статті для Science Advances створили нову модель, яка вирішила проблему. Метод враховує не тільки просторову самоорганізацію суміші з реагуючих речовин, але і їх якісні відмінності. Підхід передбачає, що, крім невеликих розчинних молекул (різниця концентрацій яких і змушує систему змінюватися), в ній є більші колоїдні частинки. Це якраз хроматофори, тобто агрегати з різних забарвлених молекул.
Зверху: Риба Aracana ornata, знизу (зліва направо): реальний візерунок риби, симуляція на основі класичної та Нової моделей / © D. Alessio et al., 2023
Виходить, що модель розглядає процес дифузіофорезу – тобто перенесення більших колоїдів за рахунок реакцій між молекулами, розчинними метаболітами. Останнім часом дифузіофорез активно використовують для моделювання багатьох процесів, що протікають в живому, а також на практиці — для очищення матеріалів від забруднень. Автори дослідження додатково розглянули роль конвекції-перенесення речовини потоками нагрітого розчину – поряд з дифузією в вихідній моделі.
Модель перевірили за допомогою обчислень, порівнявши її результати з тими, що отримані на основі моделі Тьюринга, а також реальними візерунками на тілі двох тропічних риб. Перша – Aracana ornata, покрита шестикутниками і смугами, друга — мурена Muraena lentiginosa, що має плями всередині інших плям.
Новий підхід до моделювання дійсно добре відтворив різкі переходи на тілі риб і тим самим подолав обмеження, що були у вихідної моделі патернів Тьюринга. Оскільки таке моделювання описує найзагальніші закономірності самоорганізації матерії, його можна використовувати не тільки для пояснення забарвлення тварин і їх морфогенезу, а й безлічі інших явищ живої і неживої природи.