Το πώς τα ζώα αποκτούν τα σχέδια του δέρματός τους είναι θέμα φυσικής

Αυτό το άρθρο παρουσιάστηκε αρχικά στο


Η συζήτηση

.

Μοτίβα στο δέρμα των ζώων, όπως ρίγες ζέβρας και μπαλώματα με χρώμα δηλητηριώδους βάτραχου, εξυπηρετούν διάφορες βιολογικές λειτουργίες, όπως

ρύθμιση θερμοκρασίας

,

καμουφλάζ

και

προειδοποιητικά σήματα

. Τα χρώματα που αποτελούν αυτά τα μοτίβα πρέπει να είναι ευδιάκριτα και καλά διαχωρισμένα για να είναι αποτελεσματικά. Για παράδειγμα, ως προειδοποιητικό σήμα, τα διαφορετικά χρώματα τα καθιστούν ευδιάκριτα σε άλλα ζώα. Και ως καμουφλάζ, τα καλά διαχωρισμένα χρώματα επιτρέπουν στα ζώα να συνδυάζονται καλύτερα με το περιβάλλον τους.

Στην πρόσφατα δημοσιευμένη έρευνά μας στο Science Advances, μαθητής μου

Μπεν Αλέσιο


και εγώ

προτείνω α

δυνητικός μηχανισμός

εξηγώντας πώς σχηματίζονται αυτά τα διακριτικά μοτίβα – που θα μπορούσαν ενδεχομένως να εφαρμοστούν σε ιατρικά διαγνωστικά και συνθετικά υλικά.

Ένα πείραμα σκέψης μπορεί να βοηθήσει στην οπτικοποίηση της πρόκλησης της επίτευξης χαρακτηριστικών χρωματικών μοτίβων. Φανταστείτε να προσθέτετε απαλά μια σταγόνα μπλε και κόκκινη βαφή σε ένα φλιτζάνι

νερό

. Οι σταγόνες θα διασκορπιστούν αργά σε όλο το νερό λόγω του

διαδικασία διάχυσης

, όπου τα μόρια μετακινούνται από περιοχή υψηλότερης συγκέντρωσης σε χαμηλότερη συγκέντρωση. Τελικά, το νερό θα έχει ομοιόμορφη συγκέντρωση μπλε και κόκκινων βαφών και θα γίνει μωβ. Έτσι, η διάχυση τείνει να δημιουργεί ομοιομορφία χρώματος.

Φυσικά προκύπτει ένα ερώτημα: Πώς μπορούν να διαμορφωθούν διακριτά χρωματικά μοτίβα παρουσία διάχυσης;

Κίνηση και όρια

Ο μαθηματικός Άλαν Τούρινγκ ασχολήθηκε για πρώτη φορά με αυτό το ερώτημα στη θεμελιώδη εργασία του το 1952, “

Η Χημική Βάση της Μορφογένεσης

.» Ο Turing έδειξε ότι υπό κατάλληλες συνθήκες, οι χημικές αντιδράσεις που εμπλέκονται στην παραγωγή χρώματος μπορούν να αλληλεπιδράσουν μεταξύ τους με τρόπο που να εξουδετερώνει τη διάχυση. Αυτό καθιστά δυνατή την αυτο-οργάνωση των χρωμάτων και τη δημιουργία αλληλένδετων περιοχών με διαφορετικά χρώματα, σχηματίζοντας αυτά που

σήμερα

ονομάζονται μοτίβα Turing.

Ωστόσο, στα μαθηματικά μοντέλα, τα όρια μεταξύ των χρωματικών περιοχών είναι ασαφή λόγω της διάχυσης. Αυτό δεν συμβαίνει στη φύση, όπου τα όρια είναι συχνά έντονα και τα χρώματα είναι καλά διαχωρισμένα.

Η ομάδα μας σκέφτηκε ότι μια ένδειξη για να ανακαλύψει πώς τα ζώα δημιουργούν διακριτικά χρωματικά μοτίβα θα μπορούσε να βρεθεί σε εργαστηριακά πειράματα σε σωματίδια μεγέθους μικρού, όπως το

κύτταρα που συμμετέχουν στην παραγωγή των χρωμάτων

του δέρματος ενός ζώου.

Δουλειά μου

και εργασία από

άλλα εργαστήρια

διαπίστωσε ότι σχηματίζονται σωματίδια μεγέθους μικρού

ταινιωμένες δομές

όταν τοποθετείται μεταξύ μιας περιοχής με υψηλή συγκέντρωση άλλων διαλυμένων ουσιών και μιας περιοχής με χαμηλή συγκέντρωση άλλων διαλυμένων ουσιών.

Στο πλαίσιο του πειράματος σκέψης μας, οι αλλαγές στη συγκέντρωση των μπλε και κόκκινων χρωστικών στο νερό μπορούν να ωθήσουν άλλα σωματίδια στο υγρό να κινηθούν προς ορισμένες κατευθύνσεις. Καθώς η κόκκινη βαφή μετακινείται σε μια περιοχή όπου βρίσκεται σε χαμηλότερη συγκέντρωση, μαζί της θα μεταφερθούν και κοντινά σωματίδια. Αυτό το φαινόμενο είναι

που ονομάζεται διάχυση

.

Επωφεληθείτε από τη διάχυση όποτε το κάνετε

πλύνετε τα ρούχα σας

: Τα σωματίδια βρωμιάς απομακρύνονται από τα ρούχα σας καθώς τα μόρια του σαπουνιού διαχέονται από το πουκάμισό σας και μέσα στο νερό.

Σχεδιάζοντας αιχμηρά όρια

Αναρωτηθήκαμε αν τα μοτίβα Turing που αποτελούνται από περιοχές διαφορών συγκέντρωσης θα μπορούσαν επίσης να μετακινήσουν σωματίδια μεγέθους μικρού. Εάν ναι, τα μοτίβα που προκύπτουν από αυτά τα σωματίδια θα ήταν αιχμηρά και όχι ασαφή;

Για να απαντήσουμε σε αυτό το ερώτημα, εμείς

διεξήγαγε προσομοιώσεις υπολογιστή

των μοτίβων Turing –συμπεριλαμβανομένων εξαγώνων, λωρίδων και διπλών κηλίδων– και διαπίστωσε ότι η διάχυση κάνει τα προκύπτοντα μοτίβα σημαντικά πιο διακριτικά σε όλες τις περιπτώσεις. Αυτές οι προσομοιώσεις διάχυσης ήταν σε θέση να αναπαράγουν τα περίπλοκα μοτίβα στο δέρμα του περίτεχνου κουτόψαρου και του κοσμήματος σμέρνας, κάτι που δεν είναι δυνατό μόνο μέσω της θεωρίας του Τούρινγκ.

Υποστηρίζοντας περαιτέρω την υπόθεσή μας, το

μοντέλο

μας μπόρεσε να αναπαράγει τα ευρήματα του α

εργαστηριακή μελέτη

για το πώς το βακτήριο

Ε. coli

μετακινούν το μοριακό φορτίο μέσα τους. Η διάχυση οδήγησε σε πιο έντονα μοτίβα κίνησης, επιβεβαιώνοντας το ρόλο της ως φυσικός μηχανισμός πίσω από το σχηματισμό βιολογικών προτύπων.

Επειδή τα κύτταρα που παράγουν τις χρωστικές ουσίες που αποτελούν τα χρώματα του δέρματος ενός ζώου έχουν επίσης μέγεθος μικρού, τα ευρήματά μας υποδηλώνουν ότι η διάχυση μπορεί να διαδραματίσει βασικό ρόλο στη δημιουργία διακριτικών χρωματικών μοτίβων ευρύτερα στη φύση.

Μαθαίνοντας το κόλπο της φύσης

Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο η φύση προγραμματίζει συγκεκριμένες λειτουργίες μπορεί να βοηθήσει τους ερευνητές να σχεδιάσουν συνθετικά συστήματα που εκτελούν παρόμοιες εργασίες.

Εργα

στηριακά πειράματα έχουν δείξει ότι οι επιστήμονες μπορούν να χρησιμοποιήσουν τη διάχυση για να δημιουργήσουν

φίλτρα νερού χωρίς μεμβράνη

και

χαμηλού κόστους εργαλεία ανάπτυξης φαρμάκων

.

Η εργασία μας προτείνει ότι ο συνδυασμός των συνθηκών που σχηματίζουν τα μοτίβα Turing με τη διάχυση θα μπορούσε επίσης να αποτελέσει τη βάση τεχνητών δερματικών επιθεμάτων. Ακριβώς όπως τα προσαρμοστικά μοτίβα δέρματος στα ζώα, όταν τα μοτίβα Turing αλλάζουν –ας πούμε από εξάγωνα σε ρίγες– αυτό υποδηλώνει υποκείμενες διαφορές στις χημικές συγκεντρώσεις μέσα ή έξω από το

σώμα

.

Τα επιθέματα δέρματος που μπορούν να ανιχνεύσουν αυτές τις αλλαγές θα μπορούσαν να διαγνώσουν ιατρικές παθήσεις και να παρακολουθήσουν την υγεία του ασθενούς ανιχνεύοντας αλλαγές στους βιοχημικούς δείκτες. Αυτά τα δερματικά μπαλώματα θα μπορούσαν επίσης να αισθανθούν αλλαγές στη συγκέντρωση επιβλαβών χημικών ουσιών στο περιβάλλον.

Το έργο μπροστά

Οι προσομοιώσεις μας επικεντρώθηκαν αποκλειστικά σε σφαιρικά σωματίδια, ενώ τα κύτταρα που δημιουργούν χρωστικές στο δέρμα έχουν διάφορα σχήματα. Η επίδραση του σχήματος στον σχηματισμό περίπλοκων μοτίβων παραμένει ασαφής.

Επιπλέον, τα χρωστικά κύτταρα κινούνται σε ένα περίπλοκο βιολογικό περιβάλλον. Απαιτείται περισσότερη έρευνα για να κατανοηθεί πώς αυτό το περιβάλλον αναστέλλει την κίνηση και δυνητικά παγώνει τα μοτίβα στη θέση τους.

Εκτός από τα σχέδια του δέρματος των ζώων, τα σχέδια Turing είναι επίσης κρίσιμα για άλλες διαδικασίες όπως π.χ

εμβρυϊκή ανάπτυξη

και

σχηματισμός όγκου

. Η εργασία μας υποδηλώνει ότι η διάχυση μπορεί να παίζει έναν υποτιμημένο αλλά σημαντικό ρόλο σε αυτές τις φυσικές διεργασίες.

Η μελέτη του τρόπου με τον οποίο σχηματίζονται τα βιολογικά πρότυπα θα βοηθήσει τους ερευνητές να προχωρήσουν ένα βήμα πιο κοντά στη μίμηση των λειτουργιών τους στο εργαστήριο –

μια πανάρχαια προσπάθεια

που θα μπορούσε να ωφελήσει την κοινωνία.

Ο Ankur Gupta είναι Επίκουρος Καθηγητής Χημικής και Βιολογικής Μηχανικής στο Πανεπιστήμιο του Κολοράντο, Boulder. Δήλωση αποκάλυψης: Ο Ankur Gupta λαμβάνει χρηματοδότηση από την NSF (CBET – 2238412) και την ACS Petroleum Research Fund (65836 – DNI9).