动物身上的条纹和斑点从哪来

发布时间:2024-04-17 04:50:13 来源: sp20240417

  大自然并不缺乏图案。比如人们熟悉的豹子斑点、斑马条纹,以及丽牛角鱼的六边形。但这些图案如何形成的?一直以来都没有完整的解释。现在,美国科罗拉多大学博尔德分校的工程师证明,帮助去除衣物污垢的物理过程,也在热带鱼获得彩色条纹和斑点的过程中发挥作用。该研究结果发表在8日的《科学进展》杂志上。

雄性丽牛角鱼。左下:鱼的天然六边形图案特写;下中:基于图灵反应扩散理论的鱼纹模拟;右下:扩散电泳增强反应扩散模拟。 图片来源:birch水族馆/斯克里普斯海洋学研究所/科罗拉多大学博尔德分校

雄性丽牛角鱼。左下:鱼的天然六边形图案特写;下中:基于图灵反应扩散理论的鱼纹模拟;右下:扩散电泳增强反应扩散模拟。图片来源:BIRCH水族馆/斯克里普斯海洋学研究所/科罗拉多大学博尔德分校

  1952年,数学家艾伦·图灵曾提出一个关于动物如何获得自身图案的大胆理论。他假设,随着组织的发育,会产生化学物质,这些物质通过组织扩散,其过程类似于将牛奶添加到咖啡中。

  但是,图灵机制虽然能产生图案,却不会扩散出清晰的图案——当牛奶扩散到咖啡中时,它会以模糊的轮廓向各个方向流动。

  以丽牛角鱼身上的图案为例,这些图案非常复杂,具有明显的六边形黄色轮廓。研究人员认为,仅靠图灵理论无法解释,为此他们开始探索扩散电泳过程是否在自然模式的形成中发挥着作用。

  当分子响应浓度差异等变化而在液体中移动时,就会发生扩散电泳,并加速同一环境中其他类型分子的移动。这实际上就是衣物如何变干净的方法。

  用清水漂洗肥皂浸泡的衣服,比用肥皂水漂洗肥皂浸泡的衣服能更快地去除污垢,这是因为肥皂分子的运动会吸出污垢。当衣服放入肥皂水中时,肥皂浓度没有差异,污垢会留在原处。

  此次研究人员使用图灵方程对丽牛角鱼皮肤进行了模拟。计算机生成了带有模糊紫色点和微弱黑色轮廓的图案,然后该团队修改了方程纳入扩散电泳模式,结果显示,生成的图案与鱼身上看到的明亮而锐利的双色六边形图案非常相似。

  这意味着化学物质像图灵所描述的那样通过组织扩散时,它们也会通过扩散电泳拖曳产生色素细胞,就像肥皂从衣物中去除污垢一样,这些色素细胞形成轮廓更清晰的斑点和条纹。

  这项研究不仅具有在工程和材料科学领域的应用潜力,还为研究扩散电泳在胚胎发育和肿瘤形成等生物过程中的作用提供了借鉴。

(责编:张泰运、姜洁)