Как животные получают свои пятна

Леопард щеголяет в пятнистой шубке, а зебра — в полосатой тельняшке. Природа — невероятный художник, но ее мастерская долгое время оставалась для ученых загадкой. Как животные получают свои рисунки и почему среди миллионов особей не найти двух одинаковых?

Долгое время считалось, что все дело в «чертежах» — генах. Но исследование, которое провели физики из Университета Колорадо в Боулдере, переворачивает это представление. [1] С помощью передовых компьютерных симуляций они выяснили: секрет кроется не только в химии, но и в хаотичном, несовершенном поведении самих клеток. Проследим за ходом мысли ученых, которые шаг за шагом приближались к разгадке.

Теория Тьюринга Фото: miroslav chytil/Shutterstock/FOTODOM  Модель Тьюринга была гениальна, но с одним изъяном: рисунки, которые она предсказывала, получались слишком размытыми, словно акварель по мокрой бумаге. В реальности же границы пятен у животных острые и четкие

Еще в 1952 году математик Алан Тьюринг, известный как взломщик шифров, предположил, что за появление полосок и пятен отвечают два химических вещества — морфогены. Одно вещество стимулирует выработку пигмента, а другое его подавляет.

Представьте себе, как эти вещества распространяются по гладкой развивающейся ткани с разной скоростью. Там, где «стимулятора» много, возникает темный участок, где побеждает «подавитель» — светлый. Так возникают волны концентрации, которые и формируют узор: пятна, полосы или даже сложные спирали.

Модель Тьюринга была гениальна, но с одним изъяном: рисунки, которые она предсказывала, получались слишком размытыми, словно акварель по мокрой бумаге. В реальности же границы пятен у животных острые и четкие.

Версия физиков из Университета Колорадо Фото: Savannart1/Shutterstock/FOTODOM Ученые предположили, что химические градиенты не просто «рисуют» узор на месте, а физически перемещают пигментные клетки по коже

Разгадку этого несоответствия в 2023 году предложили физики из Университета Колорадо. [2] Недостающим звеном оказался процесс под названием диффузиофорез. Это явление можно сравнить с подводным течением: движущиеся химические вещества увлекают за собой физические объекты.

В контексте развития организма это означает, что химические градиенты не просто «рисуют» узор на месте, а физически перемещают пигментные клетки по коже. Когда ученые добавили этот механизм в уравнения Тьюринга, картина изменилась. Сгенерированные компьютером рисунки стали резкими и реалистичными.

Но идеал оказался недостижим. Новая модель была слишком правильной. Все пятна получались одного размера и располагались на равном расстоянии друг от друга, словно их расчертили по линейке. Такая геометрическая безупречность делала узоры искусственными, безжизненными. Природа, как мы знаем, работает иначе.

Роль несовершенства в природе Фото: Ondrej Prosicky/Shutterstock/FOTODOM Уникальный изгиб полос помогает зебре слиться с травой и запутать хищника, а неповторимый узор пятен позволяет детенышам узнавать свою мать

И вот, в исследовании, опубликованном в журнале Matter в октябре 2024 года, команда ученых из Университета Колорадо сделала решающий шаг. Они отказались от идеи гладкой, статичной поверхности и наделили свои виртуальные клетки... характером. [3] 

В новой симуляции каждая клетка получила индивидуальные параметры: свой размер, свою подвижность и форму. Теперь в компьютерной модели кипела настоящая жизнь: клетки толкались, сдвигались с места, росли неравномерно — точно так же, как это происходит в живой ткани.

Результат превзошел ожидания. Модель перестала штамповать скучные идеальные линии и начала создавать органичные, живые узоры. Полосы у виртуальных зебр стали естественно изгибаться и раздваиваться, а пятна ягуара — меняться в размерах. Модель научилась воспроизводить даже те крошечные дефекты и вариации, которые мы видим на шкурах реальных животных.

Это открытие подводит к выводу: несовершенство — это не ошибка сборки, а фундаментальный принцип природы. Эволюция не просто терпит хаос, она его поощряет. Уникальный изгиб полос помогает зебре слиться с травой и запутать хищника, а неповторимый узор пятен позволяет детенышам узнавать свою мать. Вариативность делает популяцию в целом более гибкой и живучей.

Почему ученые изучают процесс образования пятен Фото: Tomas Drahos/Shutterstock/FOTODOM Любуясь пятнистым окрасом леопарда, знайте: перед вами не просто красивая шкура, а результат сложнейших природных процессов, которые однажды помогут человечеству создавать технологии будущего

Изучение того, как природа «рисует» пятна на шкуре животных, важно не только для биологов. Те же математические принципы помогают медикам понимать, как заживают раны на коже. А инженеры уже используют эти знания для создания самоорганизующихся материалов.

Например, понимание механизмов формирования узоров помогает в разработке «умных» тканей, адаптивного камуфляжа и даже роботов. Так что, любуясь пятнистым окрасом леопарда, знайте: перед вами не просто красивая шкурка, а результат сложнейших природных процессов, которые однажды помогут человечеству создавать технологии будущего.

По материалам a-z-animals.com.

Какого цвета белый медведь на самом деле

Почему хамелеон меняет свой цвет

Почему панда черно-белая