Het laatste onderzoek van de Universiteit van Colorado Boulder (UC Boulder) onthult de oorzaak van de ‘imperfecte schoonheid’ van vlekken en strepen op dieren, en biedt een belangrijke theoretische basis voor wetenschappers om de complexe huidpatronen in de natuur te ontcijferen, en zal naar verwachting de ontwikkeling van adaptieve, kleurveranderende materialen bevorderen.
Vlekken en strepen hebben in de natuur lange tijd verschillende functies vervuld, maar hoe deze prachtige patronen precies worden gevormd, heeft wetenschappers altijd verbaasd. Deze keer combineerde het onderzoeksteam voor het eerst wiskundige simulaties met echte biologische processen om te onthullen hoe deze natuurlijke patronen, die regelmatig lijken maar altijd subtiele veranderingen vertonen, worden gegenereerd.
"De natuur zit vol onvolkomenheden", zegt projectleider Ankur Gupta van de afdeling Chemische en Biologische Technologie. "Wij stellen een eenvoudige theorie voor die verklaart hoe cellen zich assembleren en verschillende patronen creëren."
Al in 2023 stelde het team een nieuwe theorie voor op basis van het Turing-reactie-diffusiemodel en introduceerde het fysieke proces van 'diffusioforese' om uit te leggen hoe cellen of deeltjes langs concentratiegradiënten migreren. Deze doorbraak biedt een wiskundige basis voor het verklaren van de vorming van duidelijke patronen bij tropische vissen, slangen en andere soorten. Vroege modellen lijken echter meer op fysieke simulaties en hebben het gedrag van echte biologische weefsels en pigmentcellen nog niet volledig gesimuleerd, en kunnen ook niet verklaren dat patronen in de natuur geen 'perfecte replica's' zijn.
Het nieuwste model is verder verbeterd door cellen voor te stellen als individuen van specifieke grootte en hun beweging en verdeling over weefsels te simuleren. De patronen die door het nieuwe algoritme worden gegenereerd, lijken dichter bij echte dieren en tonen patronen met natuurlijke ‘imperfecties’ en rijke lagen. Pigmentcellen blijven bijvoorbeeld niet stationair, maar bewegen, delen en reageren op chemische gradiënten. Bovendien is de ware lichaamsvorm van het dier geen regelmatig vlak, en beïnvloedt elke buiging en vouw de verdeling van chemicaliën en de richting van de markeringen. De combinatie van deze biologische en fysieke mechanismen resulteert in wat wetenschappers 'prachtige imperfectie' noemen.
Gupta zei: "Je hoeft cellen alleen maar afmetingen te geven om deze gebreken en texturen in de natuur vast te leggen." Het nieuwe model biedt nieuwe antwoorden om het fenomeen van ordelijke maar toch vol persoonlijkheid in natuurlijke patronen te verklaren, en kan nieuwe ideeën inspireren voor toekomstige biomaterialen en slim oppervlakteontwerp. In de toekomst hoopt het onderzoeksteam complexere interacties tussen cellen en chemicaliën te simuleren om het simulatie-effect verder te verbeteren.
Gupta voegde eraan toe: "We halen inspiratie uit onvolmaakte natuurlijke systemen en hopen deze kwaliteiten te gebruiken om in de toekomst nieuwe functionele materialen te ontwikkelen." Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Matter.