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 дізналися, яка річка — одна з найчорніших у світі
- Хлопчик бився з коброю, вкусивши її у відповідь. Виявилося, він даремно вбив змію
- “Чарівні кола” поширені на Землі доволі широко, але чому вони виникають досі неясно
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.