Как животные получают свои «совершенно несовершенные» пятна и полосы

Учёные раскрыли физико-биологический механизм, стоящий за формированием природных узоров От пятен леопарда до зебровых полос — узоры животных поражают своим разнообразием и точностью. Они могут служить камуфляжем, способом общения или средством терморегуляции, но до сих пор оставалось загадкой, как именно природа создаёт эти идеальные, но чуть-чуть неровные линии и пятна. Теперь исследователи из Университета Колорадо в Боулдере (University of Colorado Boulder) предложили обновлённую теорию, которая объясняет происхождение этих узоров не только с точки зрения биологии, но и физики. Их работа может помочь не только разгадать тайну природы, но и создать умные материалы, способные менять цвет и структуру в ответ на внешние воздействия.

От уравнений Тьюринга к живым тканям

Ещё в 1950-е годы выдающийся математик Алан Тьюринг предложил модель, объясняющую, как взаимодействие химических веществ — «реакция и диффузия» — способно порождать регулярные узоры. Эта теория успешно описывала появление пятен и полос, но не могла объяснить, почему в природе нет идеальной симметрии. В 2023 году команда профессора Анкура Гупты из кафедры химической и биологической инженерии CU Boulder добавила в уравнения Тьюринга новый физический процесс — диффузиофорез. Это явление, при котором частицы или клетки «увлекаются» потоком химических градиентов. В результате их модель впервые показала, как могут возникать чёткие контуры, например, на коже тропических рыб или змей. Однако первые расчёты были слишком «идеальными» — линии и пятна получались геометрически ровными, чего в живой природе почти не встречается. Поэтому исследователи продолжили работу, пытаясь добавить в модель реалистичные биологические особенности.

Как природа создаёт «красивые несовершенства»

Новая версия модели учитывает размер и подвижность клеток, а также то, что живые ткани — это не ровная поверхность, а трёхмерная структура с изгибами и складками. «Несовершенства есть везде в природе, — говорит профессор Гупта. — Мы предложили простую идею, объясняющую, как клетки объединяются, чтобы формировать эти вариации». Когда учёные придали клеткам определённые размеры и позволили им двигаться, делиться и взаимодействовать, компьютерные симуляции стали выдавать узоры, гораздо ближе к реальности: чёткие, но немного «смазанные» линии, пятна с лёгкими искажениями, плавные переходы вместо идеальных границ. По словам исследователей, именно комбинация трёх физических процессов — диффузии, движения и дрейфа клеток — создаёт тот самый «биологический шум», который превращает строгую симметрию в живую красоту. «Мы добились появления этих текстур и отклонений, просто задав клеткам конечный размер», — поясняет Гупта.

От зебры к «умным» материалам

Полученные результаты не только раскрывают тайну природных узоров, но и открывают путь к новым технологиям. Понимание того, как химические и физические градиенты формируют узоры, может помочь создавать биоинспирированные материалы — поверхности, способные менять цвет или форму в ответ на свет, температуру или движение воздуха. Учёные уже планируют следующую стадию — добавить в расчёты более сложные взаимодействия клеток и химических агентов, чтобы симуляции стали ещё ближе к живым системам. «Мы вдохновляемся несовершенной красотой природы и хотим использовать эти «ошибки» для создания новых функциональных свойств материалов», — отмечает Гупта.

Вдохновение в асимметрии

Работа исследователей из Колорадо доказывает, что в природе идеала не существует — и именно это делает её совершенной. Каждый изгиб зебровой полосы или пятно на коже ягуара — результат сложнейшего взаимодействия химии, физики и биологии. Теперь, когда учёные научились воспроизводить эту «математику несовершенства» на компьютере, мы стоим на пороге новой эры — от понимания законов живых узоров до создания материалов, которые будут подражать самой природе.

• Гипергравитация повышает продуктивность мха: японские учёные нашли ген, отвечающий за адаптацию
• Осы, которые умеют «ставить жизнь на паузу»: открытие может помочь замедлить старение у людей
• Против Дарвина: ученые обнаружили, что черви «переписали» свою ДНК, чтобы выжить на суше
• Зимний морской лёд усиливает способность Южного океана поглощать CO₂
• Горбатые киты играют с людьми, пуская кольца пузырей: возможно, это способ общения
• Как жили «полярные динозавры»: ученые воссоздали древнюю экосистему Антарктики 120 миллионов лет назад
• Койоты в Лос-Анджелесе менее склонны проводить время в богатых районах
• Робот-прыгун, похожий на веснянку