Naukowcy w końcu rozwiązali zagadkę, w jaki sposób zwierzęta wykształcają paski i cętki

Zdjęcie przedstawia samca Boxfisha ozdobnego. W lewym dolnym rogu widać zbliżenie naturalnego sześciokątnego wzoru ryby. Zdjęcie pośrodku na dole przedstawia symulację wzoru ryby w oparciu o teorię reakcji i dyfuzji Turinga. Obraz w prawym dolnym rogu przedstawia symulację reakcji i dyfuzji wzmocnionej dyfuzjoforezą. THE BIRCH AQUARIUM/ SCRIPPS INSTYTUCJA OCEANOGRAFII, BENJAMIN ALESSIO/Uniwersytet Kolorado BOULDER

Istnieje wiele zwierząt, które mają wzory na skórze lub sierści – jak chociażby tygrysy, zebry, czy żyrafy. Przyczyna tego stanu rzeczy od zawsze pozostawała niejasna, chociaż biolodzy udowodnili już wcześniej, że w niektórych przypadkach wzory te służą do kamuflażu lub zwabienia partnerów. Samo badanie genów nie wyjaśnia jednak w pełni, gdzie i jak rozwijają się cętki lub paski.

Nowe badanie opublikowane w czasopiśmie „Science Advances” wykazało, że może to następować w procesie znanym jako dyfuzjoforeza. Polega on na tym, że gdy cząsteczka przemieszcza się przez ciecz w odpowiedzi na zmiany stężenia, powoduje to przyspieszenie innych cząsteczek. Mówiąc prościej, jest to tak na prawdę ten sam proces, który zachodzi podczas prania. Bez niego pranie nie byłoby czyste.

„Byliśmy dość zaskoczeni odkryciami. Dyfuzjoforeza jest aktywnym obszarem badań…” – powiedział Newsweekowi korespondent i autor badania, Ankur Gupta, adiunkt na Wydziale Inżynierii Chemicznej i Biologicznej Uniwersytetu Colorado Boulder. „Wykorzystywano ją w takich urządzeniach, jak bezmembranowe filtry wody i tanie narzędzia diagnostyczne, a także wykazano, że ma kluczowe znaczenie w usuwaniu brudu z prania. Jednak znaczenie dyfuzjoforezy w odniesieniu do wzorców Turinga nie było wcześniej brane pod uwagę. Nasze badanie sugeruje, że dyfuzjoforeza jest procesem podstawowym i ma dalekosiężne skutki, obejmujące również tworzenie wzorów u zwierząt”.

Aby dojść do tego wniosku, Gupta wraz z Benjaminem Alessio, pierwszym autorem artykułu i asystentem naukowym na Wydziale Inżynierii Chemicznej i Biologicznej, przetestowali tę teorię, wykorzystując wzór Kostery (gatunku ryby). Jak wynika z badania, stworzyli oni symulację fioletowo-czarnego sześciokątnego wzoru – podobnego do wzoru Kostery – przy użyciu tak zwanego równania Turinga.

Równanie to zostało wymyślone przez Alana Turinga w latach pięćdziesiątych XX wieku, kiedy odkrył on, że wraz z rozwojem tkanek rozwijają się także czynniki chemiczne, które następnie dyfundują (ulegają dyfuzji) przez tkankę. Podczas reakcji tych środków chemicznych, czasami tworzą się plamy oraz przestrzenie między nimi. Według hipotezy postawionej przez Turinga, wzór zwierzęcia nie powstaje w wyniku złożonej genetyki, lecz raczej w wyniku reakcji dyfuzji.

Testując symulację, badacze dodali dyfuzjoforezę do równań Turinga. Rezultatem był jasny i ostry sześciokątny wzór, bardzo podobny do tego zaobserwowanego u Kostery. „Ten obszar badań jest niezwykle ważny, ponieważ jeśli zrozumiemy sposób powstawania wzorów na skórze zwierząt, moglibyśmy na przykład stworzyć sztuczne płaty skóry, które będą w stanie zmieniać swoje wzory w zależności od różnic w stężeniu, na przykład z pasków w sześciokąty” – powiedział Gupta.

„Mogłoby to zostać wykorzystane do nieinwazyjnego wykrywania biomarkerów wewnątrz organizmu, co byłoby niezwykle pomocne we wczesnej diagnostyce medycznej. Inną możliwością jest wykorzystanie tych plastrów do wykrywania różnic w stężeniach substancji chemicznych w powietrzu. Zmieniając wzory, plastry te mogłyby poprawić bezpieczeństwo żołnierzy przebywających w niebezpiecznych warunkach.”

Odkrycia te sugerują, że gdy środki chemiczne przenikają przez tkankę, pigment zostaje rozciągnięty w procesie dyfuzjoforezy – co również przypomina usuwanie brudu z ubrań podczas prania. Efektem końcowym jest wyraźny zarys plam i pasków.

„Obecne badania w dużej mierze skupiają się na cząstkach kulistych. W rzeczywistości komórki odpowiedzialne za zabarwienie skóry mają kształty anizotropowe [zależne od kierunku]” – powiedział Gupta. „Dlatego przyszłe prace powinny skupiać się na badaniu wpływu kształtu komórek na wzór. Ponadto istnieje potrzeba poprawy wiarygodności modelu poprzez porównanie danych z eksperymentami. Finalnie przyszłe badania mogłyby zbadać konkretne drogi przemian biochemicznych, które są niezbędne do powstania tych wzorów u zwierząt.”