Muster auf der Haut von Tieren, wie Zebrastreifen und Farbflecken von Giftfröschen, erfüllen verschiedene biologische Funktionen, unter anderem Temperaturregelung, Tarnung Und Warnsignale. Die Farben, aus denen diese Muster bestehen, müssen deutlich und gut voneinander getrennt sein, um wirksam zu sein. Beispielsweise sind sie als Warnsignal durch unterschiedliche Farben für andere Tiere deutlich sichtbar. Und als Tarnung ermöglichen gut getrennte Farben den Tieren, sich besser in ihre Umgebung einzufügen.
In unserer neu veröffentlichten Forschung in Wissenschaftliche Fortschrittemein Schüler Ben Alessio und ich einen vorschlagen Möglicher Mechanismus erklären, wie sich diese charakteristischen Muster bilden – das könnte möglicherweise auf medizinische Diagnostik und synthetische Materialien angewendet werden.
Ein Gedankenexperiment kann dabei helfen, die Herausforderung, unverwechselbare Farbmuster zu erzielen, zu veranschaulichen. Stellen Sie sich vor, Sie geben vorsichtig einen Tropfen blauen und roten Farbstoff in eine Tasse Wasser. Dadurch verteilen sich die Tropfen langsam im Wasser Prozess der DiffusionDabei bewegen sich Moleküle von einem Bereich höherer Konzentration zu einem Bereich niedrigerer Konzentration. Schließlich weist das Wasser eine gleichmäßige Konzentration an blauen und roten Farbstoffen auf und wird violett. Somit führt die Diffusion tendenziell zu einer Farbgleichmäßigkeit.
Es stellt sich natürlich die Frage: Wie können sich bei Diffusion unterschiedliche Farbmuster bilden?
Bewegung und Grenzen
Der Mathematiker Alan Turing befasste sich erstmals in seiner bahnbrechenden Arbeit von 1952 mit dieser Frage: „Die chemische Basis der Morphogenese.“ Turing zeigte, dass die chemischen Reaktionen, die an der Farberzeugung beteiligt sind, unter geeigneten Bedingungen auf eine Weise miteinander interagieren können, die der Diffusion entgegenwirkt. Dies ermöglicht es Farben, sich selbst zu organisieren und miteinander verbundene Regionen mit unterschiedlichen Farben zu bilden, die das heutige bilden sogenannte Turing-Muster.
In mathematischen Modellen sind die Grenzen zwischen Farbregionen jedoch aufgrund der Diffusion unscharf. Dies ist anders als in der Natur, wo die Grenzen oft scharf sind und die Farben gut voneinander getrennt sind.
Unser Team ging davon aus, dass ein Hinweis darauf, wie Tiere charakteristische Farbmuster erzeugen, in Laborexperimenten mit mikrometergroßen Partikeln wie dem gefunden werden könnte Zellen, die an der Herstellung der Farben beteiligt sind der Haut eines Tieres. Meine Arbeit und arbeiten von andere Labore fanden heraus, dass sich Partikel in Mikrometergröße bilden gebänderte Strukturen wenn es zwischen einer Region mit einer hohen Konzentration anderer gelöster Stoffe und einer Region mit einer niedrigen Konzentration anderer gelöster Stoffe platziert wird.
Im Zusammenhang mit unserem Gedankenexperiment können Änderungen in der Konzentration blauer und roter Farbstoffe im Wasser andere Partikel in der Flüssigkeit dazu bewegen, sich in bestimmte Richtungen zu bewegen. Wenn der rote Farbstoff in einen Bereich gelangt, in dem er eine geringere Konzentration aufweist, werden in der Nähe befindliche Partikel mitgerissen. Dieses Phänomen ist sogenannte Diffusiophorese.
Sie profitieren von der Diffusionsiophorese, wann immer Sie möchten Mach deine Wäsche: Schmutzpartikel entfernen sich von Ihrer Kleidung, während Seifenmoleküle aus Ihrem Hemd ins Wasser diffundieren.
Scharfe Grenzen ziehen
Wir haben uns gefragt, ob Turing-Muster, die aus Bereichen mit Konzentrationsunterschieden bestehen, auch Partikel in Mikrometergröße bewegen können. Wenn ja, wären die resultierenden Muster dieser Partikel scharf und nicht unscharf?
Dieses Video zeigt kleine Partikel, die sich aufgrund eines verwandten Phänomens namens Diffusionosmose bewegen.
Um diese Frage zu beantworten, haben wir führte Computersimulationen durch von Turing-Mustern – darunter Sechsecke, Streifen und Doppelpunkte – und fand heraus, dass die Diffusionsiophorese die resultierenden Muster in allen Fällen deutlich ausgeprägter macht. Diese Diffusionsiophorese-Simulationen konnten die komplizierten Muster auf der Haut des Schmuckkofferfischs und der Schmuckmuräne nachbilden, was mit Turings Theorie allein nicht möglich ist.
Zur weiteren Unterstützung unserer Hypothese war unser Modell in der Lage, die Ergebnisse von a zu reproduzieren Laborstudie darüber, wie das Bakterium E. coli molekulare Ladung in sich transportiert. Die Diffusiophorese führte zu schärferen Bewegungsmustern und bestätigte damit ihre Rolle als physikalischer Mechanismus bei der Bildung biologischer Muster.
Da die Zellen, die die Pigmente produzieren, aus denen sich die Farben der Haut eines Tieres zusammensetzen, ebenfalls mikrometergroß sind, deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass die Diffusionsiophorese eine Schlüsselrolle bei der Schaffung charakteristischer Farbmuster in der Natur im weiteren Sinne spielen könnte.
Den Trick der Natur lernen
Das Verständnis, wie die Natur bestimmte Funktionen programmiert, kann Forschern dabei helfen, synthetische Systeme zu entwerfen, die ähnliche Aufgaben erfüllen.
Laborexperimente haben gezeigt, dass Wissenschaftler mithilfe der Diffusionsiophorese etwas erschaffen können Membranlose Wasserfilter Und kostengünstige Werkzeuge zur Arzneimittelentwicklung.
Unsere Arbeit legt nahe, dass die Kombination der Bedingungen, die Turing-Muster bilden, mit Diffusiophorese auch die Grundlage für künstliche Hautpflaster bilden könnte. Wenn sich Turing-Muster ändern – etwa von Sechsecken zu Streifen –, deutet dies genau wie adaptive Hautmuster bei Tieren auf zugrunde liegende Unterschiede in den chemischen Konzentrationen innerhalb oder außerhalb des Körpers hin.
Hautpflaster, die diese Veränderungen wahrnehmen können, könnten Krankheiten diagnostizieren und den Gesundheitszustand eines Patienten überwachen, indem sie Veränderungen in biochemischen Markern erkennen. Diese Hautflecken könnten auch Veränderungen in der Konzentration schädlicher Chemikalien in der Umwelt wahrnehmen.
Die bevorstehende Arbeit
Unsere Simulationen konzentrierten sich ausschließlich auf kugelförmige Partikel, während die Zellen, die Pigmente in der Haut erzeugen, in unterschiedlichen Formen vorliegen. Der Einfluss der Form auf die Bildung komplizierter Muster bleibt unklar.
Darüber hinaus bewegen sich Pigmentzellen in einer komplizierten biologischen Umgebung. Es bedarf weiterer Forschung, um zu verstehen, wie diese Umgebung Bewegungen hemmt und möglicherweise Muster einfriert.
Neben Tierhautmustern sind Turing-Muster auch für andere Prozesse von entscheidender Bedeutung, z embryonale Entwicklung Und Tumorbildung. Unsere Arbeit legt nahe, dass die Diffusiophorese bei diesen natürlichen Prozessen eine unterschätzte, aber wichtige Rolle spielen könnte.
Die Untersuchung der Entstehung biologischer Muster wird Forschern dabei helfen, der Nachahmung ihrer Funktionen im Labor einen Schritt näher zu kommen.ein uraltes Unterfangen Das könnte der Gesellschaft zugute kommen.
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