Zaskakujące ustalenia w sprawie cętek i pasów u zwierząt

Już w 1952 r. brytyjski matematyk Alan Turing zaproponował teorię opisującą, jak w rozwijających się tkankach powstają różnice w ubarwieniu. Według niego pewne substancje chemiczne wędrują po tkance, pobudzając lub hamując działanie komórek pigmentowych. To zderzenie „aktywatorów” i „inhibitorów” mogło tłumaczyć, czemu powstają cętki i pasy.

Problem w tym, że symulacje komputerowe oparte na modelu Turinga dawały efekty zbyt rozmyte – plamy wyglądały jak w akwareli, nie jak na sierści lamparta. W 2023 r. inżynier chemiczny Ankur Gupta z Uniwersytetu Kolorado wraz ze współpracownikami zaproponował poprawkę. Dodał do modelu zjawisko zwane dyfuzjoforezą – proces, w którym cząstki poruszające się w roztworze „pociągają” za sobą inne. To trochę jak pranie: gdy mydło wypłukuje brud z tkaniny, ciągnie ze sobą cząstki brudu.

Na testowy przypadek badacze wybrali jaskrawo ubarwioną ostrakę ozdobną (Aracana ornata) – rybę z australijskich raf, której ciało pokrywają regularne fioletowo-czarne heksagony. Okazało się, że dyfuzjoforeza potrafi stworzyć wzory znacznie bardziej ostre i kontrastowe niż te z klasycznego modelu Turinga. Ale miała wadę: były zbyt idealne.

„W naturze nie ma perfekcji” – mówi Gupta w rozmowie z magazynem „Popular Science”. – „Zaproponowaliśmy prosty sposób, który pozwala wyjaśnić, jak komórki mogą samodzielnie tworzyć te niedoskonałości.”

Wielkość komórek ma znaczenie dla wzoru

Nowa praca zespołu opublikowana w „Matter” dodaje do symulacji jeszcze jeden czynnik: rozmiar komórek. Okazuje się, że jeśli komórki pigmentowe mają różną wielkość i poruszają się przez tkankę jak kule w rurze, zaczynają tworzyć nieregularne wzory.

Większe komórki – jak „piłki do koszykówki” – zostawiają grubsze pasy, a mniejsze – niczym pingpongowe – tworzą cieńsze. Gdy zderzają się i „zatyka się rura”, wzory się przerywają. W ten sposób powstają przerwy w pasach zebry albo nieregularne plamy na skórze geparda.

„Wystarczyło nadać komórkom rozmiar, by pojawiły się tekstury i niejednorodności podobne do tych w naturze” – tłumaczy Gupta.

Symulacje stworzone przez zespół pokazały, że nawet drobne różnice w wielkości komórek wystarczą, by powstały bardziej realistyczne desenie: nieco rozbite, ziarniste, z przerwami – dokładnie takie, jakie widzimy u zwierząt.

Matematyka i biologia idą ramię w ramię

Choć badanie może wydawać się abstrakcyjne, jego znaczenie jest bardzo praktyczne. Poznanie sposobu, w jaki komórki układają się w kolorowe wzory, może pomóc w projektowaniu nowych materiałów, które zmieniają barwę pod wpływem środowiska – tak jak skóra kameleona.

Naukowcy liczą też, że zrozumienie tych procesów pozwoli opracować lepsze metody dostarczania leków w organizmie – na przykład takich, które kierują substancje aktywne tylko do chorych tkanek.

„Czerpiemy inspirację z niedoskonałego piękna natury” – mówi Gupta. – „Te drobne fluktuacje, które nadają światu charakter, mogą w przyszłości pomóc nam tworzyć nowe, funkcjonalne materiały.”

Pasy, cętki, kropki – piękny przypadek

Zrozumienie, że wzory zwierząt nie są geometrycznie doskonałe, to nie tylko matematyczna ciekawostka. To dowód, że przyroda rządzi się równowagą między porządkiem a chaosem. Nawet gdy komórki podlegają tym samym zasadom fizyki i chemii, drobne różnice – w tempie wzrostu, w przepływie płynów, w ruchu cząsteczek – tworzą złożoną, niepowtarzalną mozaikę.

Zebra nie ma dwóch identycznych pasów, a każdy lampart – własny układ cętek, jak odcisk palca. Dzięki takim „błędnym” wzorom zwierzęta mogą się kamuflować, rozpraszać wzrok drapieżników i regulować temperaturę ciała.

Badacze z Boulder nie rozwiązali jeszcze całej zagadki – planują teraz wprowadzić do symulacji bardziej złożone interakcje między komórkami i substancjami chemicznymi, które sterują ich ruchem. Ale ich praca pokazuje, że nawet najpiękniejsze wzory natury powstają nie z perfekcji, lecz z niedoskonałości.