Les motifs sur la peau des animaux, tels que les rayures zébrées et les taches colorées de grenouilles empoisonnées, remplissent diverses fonctions biologiques, notamment régulation de la température, camouflage et signaux d’avertissement. Les couleurs composant ces motifs doivent être distinctes et bien séparées pour être efficaces. Par exemple, en guise de signal d’avertissement, des couleurs distinctes les rendent clairement visibles par les autres animaux. Et comme camouflage, des couleurs bien séparées permettent aux animaux de mieux se fondre dans leur environnement.
Dans notre recherche récemment publiée dans Avancées scientifiquesmon étudiant Ben Alessio et moi proposer un mécanisme potentiel expliquant comment se forment ces modèles distinctifs, qui pourraient potentiellement être appliqués aux diagnostics médicaux et aux matériaux synthétiques.
Une expérience de pensée peut aider à visualiser le défi que représente l’obtention de motifs de couleurs distinctifs. Imaginez que vous ajoutez doucement une goutte de colorant bleu et rouge à une tasse d’eau. Les gouttes se disperseront lentement dans l’eau en raison de la processus de diffusion, où les molécules se déplacent d’une zone de concentration plus élevée vers une zone de concentration plus faible. Finalement, l’eau aura une concentration uniforme de colorants bleus et rouges et deviendra violette. Ainsi, la diffusion tend à créer une uniformité des couleurs.
Une question se pose naturellement : comment des motifs de couleurs distincts peuvent-ils se former en présence de diffusion ?
Mouvement et limites
Le mathématicien Alan Turing a abordé cette question pour la première fois dans son article fondateur de 1952, « La base chimique de la morphogenèse » Turing a montré que dans des conditions appropriées, les réactions chimiques impliquées dans la production de la couleur peuvent interagir les unes avec les autres d’une manière qui contrecarre la diffusion. Cela permet aux couleurs de s’auto-organiser et de créer des régions interconnectées avec différentes couleurs, formant ce qui est maintenant appelés modèles de Turing.
Cependant, dans les modèles mathématiques, les limites entre les régions colorées sont floues en raison de la diffusion. Ceci est différent de la nature, où les limites sont souvent nettes et les couleurs bien séparées.
Notre équipe a pensé qu’un indice permettant de comprendre comment les animaux créent des motifs de couleurs distinctifs pourrait être trouvé dans des expériences en laboratoire sur des particules de taille micrométrique, telles que le cellules impliquées dans la production des couleurs de la peau d’un animal. Mon travail et travailler à partir de d’autres laboratoires découvert que des particules de la taille d’un micron se forment structures en bandes lorsqu’il est placé entre une région avec une forte concentration d’autres solutés dissous et une région avec une faible concentration d’autres solutés dissous.
Dans le contexte de notre expérience de pensée, les changements dans la concentration des colorants bleus et rouges dans l’eau peuvent pousser d’autres particules du liquide à se déplacer dans certaines directions. Au fur et à mesure que le colorant rouge se déplace vers une zone où sa concentration est plus faible, les particules proches seront entraînées avec lui. Ce phénomène est appelée diffusiophorèse.
Vous bénéficiez de la diffusiophorèse chaque fois que vous faire ta lessive: Les particules de saleté s’éloignent de vos vêtements lorsque les molécules de savon se diffusent hors de votre chemise et dans l’eau.
Tracer des limites nettes
Nous nous sommes demandés si les modèles de Turing composés de régions de différences de concentration pouvaient également déplacer des particules de taille micrométrique. Si tel est le cas, les motifs résultant de ces particules seraient-ils nets et non flous ?
Cette vidéo montre de petites particules se déplaçant en raison d’un phénomène connexe appelé diffusioosmose.
Pour répondre à cette question, nous réalisé des simulations informatiques de motifs de Turing, notamment des hexagones, des rayures et des doubles points, et ont découvert que la diffusiophorèse rend les motifs résultants nettement plus distinctifs dans tous les cas. Ces simulations de diffusiophorèse ont permis de reproduire les motifs complexes de la peau du poisson-coffre orné et de la murène bijou, ce qui n’est pas possible grâce à la seule théorie de Turing.
Renforçant davantage notre hypothèse, notre modèle a pu reproduire les résultats d’une étude en laboratoire sur la façon dont la bactérie E. coli déplace la cargaison moléculaire en elle-même. La diffusiophorèse a abouti à des schémas de mouvement plus précis, confirmant son rôle en tant que mécanisme physique derrière la formation de schémas biologiques.
Étant donné que les cellules qui produisent les pigments qui composent les couleurs de la peau d’un animal sont également de taille micrométrique, nos résultats suggèrent que la diffusiophorèse pourrait jouer un rôle clé dans la création de modèles de couleurs distinctifs plus largement dans la nature.
Apprendre le truc de la nature
Comprendre comment la nature programme des fonctions spécifiques peut aider les chercheurs à concevoir des systèmes synthétiques qui effectuent des tâches similaires.
Des expériences en laboratoire ont montré que les scientifiques peuvent utiliser la diffusiophorèse pour créer filtres à eau sans membrane et outils de développement de médicaments à faible coût.
Nos travaux suggèrent que la combinaison des conditions qui forment les motifs de Turing avec la diffusiophorèse pourrait également constituer la base de patchs cutanés artificiels. Tout comme les modèles cutanés adaptatifs chez les animaux, lorsque les modèles de Turing changent, par exemple des hexagones aux rayures, cela indique des différences sous-jacentes dans les concentrations chimiques à l’intérieur ou à l’extérieur du corps.
Des patchs cutanés capables de détecter ces changements pourraient diagnostiquer des problèmes médicaux et surveiller la santé d’un patient en détectant les changements dans les marqueurs biochimiques. Ces taches cutanées pourraient également détecter des changements dans la concentration de produits chimiques nocifs dans l’environnement.
Le travail à venir
Nos simulations se sont exclusivement concentrées sur des particules sphériques, tandis que les cellules qui créent les pigments de la peau se présentent sous différentes formes. L’effet de la forme sur la formation de motifs complexes reste flou.
De plus, les cellules pigmentaires se déplacent dans un environnement biologique complexe. Des recherches supplémentaires sont nécessaires pour comprendre comment cet environnement inhibe le mouvement et gèle potentiellement les modèles en place.
Outre les motifs de peau d’animal, les motifs de Turing sont également cruciaux pour d’autres processus tels que développement embryonnaire et formation de tumeur. Nos travaux suggèrent que la diffusiophorèse pourrait jouer un rôle sous-estimé mais important dans ces processus naturels.
Étudier la façon dont se forment les modèles biologiques aidera les chercheurs à faire un pas de plus vers l’imitation de leurs fonctions en laboratoire.une entreprise séculaire cela pourrait profiter à la société.
Cet article est republié à partir de La conversation sous licence Creative Commons. Lis le article original.