Теория Алана Тьюринга раскрывает тайну полос зебры и пятен леопарда

«Многие фундаментальные биологические вопросы сводятся к одному: как из бесформенного комка клеток возникает нечто столь сложное и упорядоченное?» — рассуждает Бенджамин Алессио, ведущий автор исследования. — «Мы взяли простой физико-химический механизм и показали, что его достаточно, чтобы объяснить это сложнейшее явление».

Биологи знают, что узоры эволюционировали для камуфляжа или, наоборот, для привлечения партнера. Гены задают палитру, но они не диктуют клеткам точный «чертеж» расположения каждого пятнышка. Кто же тогда архитектор?

Идеи Алана Тьюринга

Еще в 1952 году, до открытия двойной спирали ДНК, математик Алан Тьюринг, один из отцов компьютерной науки, предложил элегантную теорию. Он предположил, что в развивающихся тканях выделяются особые химические вещества. Они распространяются, как молоко в чашке кофе. Одни вещества вступают в реакцию, образуя цветные пятна. Другие выступают ингибиторами, создавая между ними промежутки. Эта «реакционно-диффузионная» модель показала, что для создания узора не обязательны невероятно сложные генетические инструкции — достаточно простой химии.

«Механизм Тьюринга может создавать паттерны, но диффузия сама по себе дает лишь размытые очертания, — поясняет соавтор работы Анкур Гупта. — Взболтайте молоко в кофе — вы получите плавные переходы, а не четкие геометрические фигуры». И в этом была загвоздка.

Все изменилось, когда Бенджамин Алессио посетил аквариум в Сан-Диего. Его внимание привлекла яркая рыбка-бокоплав. Ее узор был поразителен: идеальный фиолетовый круг, окруженный четким желтым шестиугольником с толстой черной каймой. Такая математическая точность никак не вязалась с размытыми переходами в теории Тьюринга. И тут Алессио вспомнил о своих компьютерных симуляциях, где частицы формировали резкие границы благодаря процессу под названием диффузиофорез.

Диффузиофорез — это движение молекул в жидкости из-за разницы в концентрации, которое увлекает за собой другие частицы. Именно так работает стирка! Если прополоскать намыленную вещь в чистой воде, мыло начнет быстро диффундировать прочь, увлекая за собой частицы грязи. А вот в мыльной воде, где концентрация одинакова, грязь останется на месте. Эффект потрясающий, не правда ли?

Гупта и Алессио заметили, что при диффузиофорезе молекулы движутся по строгим траекториям, формируя узоры с резкими, как по лекалу, границами.

Чтобы проверить гипотезу, они смоделировали знаменитый шестигранник рыбки. Классические уравнения Тьюринга дали лишь бледное подобие — размытое пятно с нечеткими краями. Но стоило добавить в модель диффузиофорез, как на экране проступил яркий, контрастный, идеально очерченный гексагон — точь-в-точь как в природе.

Ученые предполагают, что все работает так: химические агенты, предсказанные Тьюрингом, диффундируют в ткани, а с помощью диффузиофореза «подхватывают» и перемещают пигментные клетки — подобно тому, как мыло увлекает грязь. В результате получаются не размытые пятна, а кристально четкие полосы и фигуры.

Теория Тьюринга уже помогла объяснить множество биологических паттернов, от расположения волосяных луковиц у мышей до складок на нёбе. Теперь, с важным уточнением о диффузиофорезе, она может раскрыть секреты самых ярких нарядов в животном мире.

«Наша работа не только проясняет биологию, но и открывает новые горизонты в материаловедении и медицине, — говорит Анкур Гупта. — Понимание диффузиофореза может пролить свет на такие процессы, как эмбриональное развитие или даже рост опухолей».