Ученые раскрыли секрет несовершенных пятен и полос у животных

Сверху: самец расписного кузовка. Снизу: смоделированные шестиугольные и полосатые узоры, полученные методом диффузиофоретической сборки двух типов клеток поверх химических паттернов. Автор: The Birch Aquarium/Scripps Institution of Oceanography; Сиамак Мирфендерески и Анкур Гупта/Университет Колорадо в Боулдере

Ученые из Университета Колорадо в Боулдере усовершенствовали теорию формирования узоров у животных и смогли воссоздать естественные несовершенства вроде неровных пятен у леопарда. Новый механизм, описанный в журнале Matter, может привести к созданию материалов, способных реагировать на окружающую среду, например, тканей, меняющих цвет для камуфляжа.

«Несовершенства повсюду в природе», — заявил ведущий исследователь Анкур Гупта. — «Мы предложили простую идею, которая может объяснить, как клетки собираются вместе, создавая эти вариации».

Еще в 1952 году математик Алан Тьюринг предположил, что по мере развития тканей вырабатываются химические агенты, которые диффундируют в системе. Одни химические вещества активируют клетки, производящие пигмент, формируя пятна, а другие — подавляют эти клетки, создавая промежутки.

В 2023 году Гупта и его коллеги улучшили теорию Тьюринга, добавив механизм диффузиофореза — процесса, при котором диффундирующие частицы тянут за собой другие частицы. Это позволило создавать узоры с более четкими контурами, но результаты были слишком идеальными.

В природе ни у одного животного нет безупречных узоров — полосы зебры разной толщины, а шестиугольники на кузовках никогда не бывают идеально одинаковыми.

Ученые обнаружили, что если задать отдельным клеткам определенные размеры и смоделировать их движение через ткань, симуляции начинают воспроизводить несовершенные узоры и текстуры. Более крупные клетки формируют более широкие узоры, а когда клетки сталкиваются, они создают разрывы в полосах.

«Мы можем воспроизвести эти несовершенства и текстуры, просто задав клеткам размер», — пояснил Гупта.

В будущем это понимание может помочь инженерам создавать синтетические материалы, способные менять цвет в зависимости от окружающей среды, подобно коже хамелеона, а также разрабатывать эффективные методы доставки лекарств в конкретные части тела.

Исследование показывает, что именно клеточные несовершенства создают уникальную красоту животного мира — от тигриных полос до леопардовых пятен.