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动物身上的条纹和斑点是怎样形成的?

2023-11-11 未解之谜网

箱鲀鱼(Boxfish)的皮肤上有黄色和紫色构成的清晰六边形图案。(Shutterstock)

大自然并不缺乏各色各样的美丽图案,比如豹子的斑点,斑马的条纹,箱鲀鱼(Boxfish)的六边形图案,不一而足。但针对这些图案是如何形成的这个问题,仍缺少一个完整的解释。一项新研究发现,被称为扩散电泳的物理过程在其中扮演了重要角色。

科罗拉多大学博尔德分校的工程师们发现,去除衣物上的污垢与热带鱼获得彩色条纹其实是同一个物理过程。其研究结果发表在11月8日的《科学进展》(Science Advances)期刊上。

论文首席作者、化学与生物工程系的本科生研究员本杰明‧阿莱西奥(Benjamin Alessio)说:“许多生物学问题从根本上讲都归于同一个问题:当一切都从一个球形细胞团开始时,生物体如何发展出复杂的图案和形状。”“我们的工作使用简单的物理和化学机制来解释复杂的生物现象。”

生物学家认为,许多动物以皮毛图案来伪装自己或吸引配偶。例如,虽然基因编码含有诸如豹子皮毛上的斑点颜色这类信息,但仅靠遗传学并不能解释这些斑点到底是如何形成的。

图灵机制

1952年,在生物学家发现DNA双螺旋结构之前,现代计算科学的奠基人、数学家艾伦‧图灵(Alan Turing)提出了一个关于动物如何获得各种图案的大胆理论。

图灵假设,随着生物组织的发育,会产生各种化学物质。这些物质会通过生物组织进行扩散,其过程类似于将牛奶添加到咖啡中的情形。其中某些物质相互反应,会形成斑点。而其它的则会抑制上述能形成斑点的化学物质的扩散和反应,从而在斑点之间形成空白。图灵的理论表明,这种简单的“反应-扩散”(reaction-diffusion)模式无需复杂的遗传过程,就足以解释生物图案形成的基础过程。

“图灵机制当然可以产生图案,但扩散不会产生清晰的图案。”化学与生物工程系助理教授、新研究的通讯作者安库尔‧古普塔(Ankur Gupta)说。例如,当牛奶扩散到咖啡中时,会以模糊的轮廓向各个方向流动。

当阿莱西奥参观圣地亚哥的博趣水族馆(Birch Aquarium)时,箱鲀鱼身上的复杂图案具有非常鲜明清晰的边界,这给他留下了深刻的印象。它由一个紫色的点组成,周围有一个明显的六边形黄色轮廓。他认为,仅靠图灵的理论无法解释这些六边形的清晰轮廓。但这种图案让他想起了他一直在进行的计算机模拟,其中的粒子确实会形成类似的清晰条纹。阿莱西奥是古普塔研究小组(Gupta research group)的成员,他想知道被称为“扩散电泳”(Diffusiophoresis)的过程是否在自然图案的形成中发挥著作用。

当分子由于浓度差异而在液体中移动时,就会发生所谓的扩散电泳,并加速同一环境中其它类型分子的移动。虽然对于普通人来说这似乎是一个晦涩的概念,但实际上这就是使衣物变得干净的方法。

最近的一项研究表明,用清水冲洗肥皂浸泡的衣服比用肥皂水冲洗肥皂浸泡的衣服能更快地去除污垢。这是因为当肥皂从织物中扩散到肥皂浓度较低的水中时,肥皂分子的运动会吸出污垢。反之,当衣物用肥皂水冲洗时,肥皂浓度没有差异,导致污垢留在原处。

电脑模拟

正如古普塔和阿莱西奥在模拟中观察到的那样,扩散电泳过程中分子的运动始终遵循清晰的轨迹,并产生轮廓清晰的图案。

为了确定此过程是否可能在生成动物身体上的图案上发挥作用,两人仅使用图灵方程对华丽的箱鲀鱼皮肤上紫色和黑色六边形图案进行了模拟。计算机生成了一张带有模糊紫色点和微弱黑色轮廓的图片。然后该团队修改了图灵方程以纳入扩散电泳。结果证明,与鱼身上明亮而锐利的双色六边形图案更加相似。

团队的理论表明,当化学物质像图灵所描述的那样通过生物组织进行扩散时,也会通过扩散电泳机制拖曳产生色素的细胞随之一起移动,就像肥皂从衣服中将污垢携带出来一样。这些色素细胞会进而形成轮廓更清晰的斑点和条纹。

在图灵提出其开创性理论几十年后,科学家已经利用这一机制来解释生物学中的许多其它图案,例如小鼠毛囊的排列和哺乳动物口腔顶部的脊。

古普塔希望其团队正在进行的更多研究能够进一步提高对图案形成的理解,并激励科学家去开发新型材料甚至新型药物。

“研究结果强调,扩散电泳在图案形成领域的作用可能被低估了。这项工作不仅具有在工程和材料科学领域的应用潜力,而且还为研究扩散电泳在胚胎和肿瘤形成等生物过程中的作用提供了机会。”古普塔说。

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