Již mnoho desetiletí se vědci a biologové pokoušejí pochopit, jak se fascinující vzory v srsti zvířat objevují ze skupiny nedostatečně vyvinutých buněk.
Britský matematik Alan Turing počátkem 50. let minulého století navrhl, že jak se buňky a tkáně vyvíjejí, produkují určité molekuly nebo chemické látky, které difundují do svého okolí, reagují mezi sebou a nakonec umožňují proces výroby pigmentů pro vzory. Současně by další interakce mohly bránit jejich šíření, vytvářet nepigmentované prostory mezi vzory a omezovat je na určité oblasti.
Díky tomuto modelu se dnes výsledné obrazce nazývají Turingovy obrazce.
Když však vědci simulovali tento model na počítačích založených na Turingových vzorcích, zjistili, že vzory nevyvíjejí takové ostré obrysy, jaké lze vidět na zebrách, leopardech a hadech. Místo toho model poskytoval pouze rozmazané vzory, jako by difúze nebyla omezena.
Zdobený boxfish
Někteří vědci, kteří se pokoušeli zjistit proč, stejně jako „správný“ model, jsou biofyzici pracující na poli transportních jevů. Jedna taková linie vyšetřování vedla k udělení Nobelovy ceny za chemii v roce 1977 k belgickému exponentovi fyzikální chemie Iljovi Prigoginovi.
Nyní byla v časopise zveřejněna studie z University of Colorado-Boulder Hmota na 27. říjnaúdajně přišel na to, jak se formují vzory zvířecí srsti s ostrými hranami.
„Jak jsou tyto zvířecí vzory tak krásné a přitom nedokonalé? To je otázka, na kterou jsme chtěli odpovědět,“ řekl Ankur Gupta, spoluautor studie a odborný asistent na katedře chemického a biologického inženýrství.
Ukazuje na obrázek samce zdobeného boxfish (Zdobená Aracana), Dr. Gupta řekl, že jeho studenti byli obzvláště uchváceni jeho živým purpurově žlutým zlacením a chtěli pochopit, jak se žluté šestiúhelníkové čáry na jeho těle formovaly.
„Skoro jsme na tom začali pracovat náhodou, protože vzory se velmi podobaly tomu, co můj tým získával pomocí simulací.“
Dokonalá nedokonalost
Tým Dr. Gupty pracoval na Turingových vzorcích. V roce 2023 se zaměřili na jev zvaný difuzioforéza: kdy koloidní částice suspendované v tekutině nebo disperzním médiu mohou přitahovat jiné částice jako magnet a shlukovat je dohromady.
Když provedli simulace, zjistili, že difuzioforéza může vést k ostřejším vzorům, než vytvořil Turingův model. Ale na druhé straně byly tyto vzory symetrické – zatímco v přírodě mají malé nedokonalosti.
V nové studii Dr. Gupta a jeho kolega Siamak Mirfendereski vylepšili svůj vlastní model přiřazením specifických velikostí různým buňkám a poté simulovali pohyb těchto buněk tkáněmi. A byli tam: nedokonalé Turingovy vzory podobné těm ve volné přírodě.
Difúze a disperze
Když se molekula pohybuje kapalným prostředím, nepohybuje se pouze konstantní rychlostí po přímce. Pro začátek, protože je tak malý, bude ovlivněn malými teplotními změnami, které se dějí všude kolem něj. Při pohledu z dálky se bude zdát, že molekula se chvěje v náhodných směrech. Toto je Brownův pohyb – a cesta molekuly skrz médium tímto způsobem se nazývá difúze.
Příkladem volby doktora Gupty bylo kapání inkoustu do vody: postupem času se molekuly inkoustu zcela rozprostřely vodou, aniž by se na určitých místech shlukly. Toto je difúze.
Pokud by inkoust spadl do řeky, jeho molekuly by stále difundovaly vodou v malém měřítku. Ve větším měřítku by však různé proudy stáhly všechny molekuly po proudu. Tomu se říká disperze.
„Všechny částice v médiu mají nějaký difúzní koeficient a nějakou tendenci k difúzi kolem. Ale pokud spolu reagují a za správných podmínek, můžete získat heterogenitu z homogenity,“ Dr. Gupta.
Model kontinua
V průběhu své práce tým zjistil, že vzory vypadaly rozmazaně bez řádných hranic, pokud použil klasický Turingův model, což znamená, že pigmenty mohly pouze difundovat.
Ale pokud by jim bylo umožněno shlukovat se, tým zjistil, že by se v médiu vytvořila skupina trojrozměrných skvrn, přičemž částice se shlukovaly a plavaly kolem každé skvrny. Tento jev se nazývá difuzioforéza.
Když výzkumníci modelovali celý systém pomocí difuzioforézy, pozorovali, že se vzory skutečně vyskytovaly a že byly mnohem ostřejší než klasický Turingův model. Ale protože buňky měly všechny stejnou velikost, jejich vzory byly příliš dokonalé.
„Siamak přinesl odborné znalosti ze svého PhD, což nám umožnilo modelovat jednotlivé buňky, a udělali jsme tak pro více než 1 00 000 až 10 00 000 takových buněk,“ řekl Dr. Gupta.
„To nám umožnilo vytvořit výpočetní algoritmus pro toto modelování, které podrobně popisujeme v tomto článku. Nyní se odkláníme od modelu kontinua a snažíme se modelovat každou buňku individuálně, což vede k mnohem realističtějšímu vzoru.“
Balení dobře
V příkladu inkoustu je aktualizovaný model podobný tomu, že některé částice ve vodě jsou přitahovány k molekulám inkoustu, zatímco jiné jsou odpuzovány.
Velikost buněk je v tomto scénáři důležitá, protože řídí, jak dobře mohou být buňky zabaleny kolem sebe, když se shlukují.
V modelu, kdy byly buňky ve srovnání s tloušťkou vzoru velmi malé, se mohly volně pohybovat a úhledně zapadat do nových vzorů a shluky, které vytvořily, byly hladké a dobře organizované. Ale jak se buňka zvětšovala a blížila se šířce chemického vzoru, začaly do sebe více narážet a nemohly všechny dokonale zapadnout do „ideálních“ míst vzoru, což vedlo k nedokonalostem. Některé oblasti mohly být natěsno, zatímco jiné byly řídké nebo roztříštěné.
Vzhledem k tomu, že větší částice nebo buňky mají také větší plochu, mohly by tvořit širší vzory než ty, které tvoří menší buňky.
Když byly ještě větší, buňky vůbec nemohly tvořit úplné vzory. Shluky se stávají nepravidelnými a hrubými, jako nerovné skvrny ve skutečné biologické tkáni.
Nedokonalé vzory
„Když jsme jednoduše modelovali buňky různých velikostí, naše rybí vzory se najednou staly mnohem realističtějšími,“ řekl Dr. Gupta. „Nedokonalosti ve vzorcích jsou přítomné a zpřísněné a v tomto rámci je pozorováno něco jako myšlenka diskrétnosti a tyto vzory se více podobají tomu, co nacházíme v přírodě.“
Studium není bez omezení. Nový model nebere v úvahu biologické síly v tkáni nebo buňce (např. adhezi) a také simuloval buňky jako tvrdé koule, spíše než jako propustné a rozmačkané kuličky, kterými ve skutečnosti jsou. Podle Dr. Gupty by budoucí model, který zahrnuje tyto faktory, mohl přinést nuanční nálezy s ohledem na tvorbu vzorů.
Prozatím se nová zjištění blíží vysvětlení přirozených vzorů nalezených u ryb, ještěrek, savců a dalších zvířat a mohla by připravit cestu pro lepší maskování a textilní design.
Sandhya Ramesh je nezávislá vědecká novinářka.
