Почему у животных есть полосы и пятна, откуда они берутся

Как животные получают свои пятна и полосы? Механизм Тьюринга содержит подсказки к шаблонам

Более 70 лет назад математик Алан Тьюринг предложил механизм, объясняющий, как закономерности могут возникнуть из безвкусной однородности. Ученые все еще используют его модель и добавляют новые повороты, чтобы глубже понять маркировку животных.

Есть причина, по которой модельеры ищут вдохновение на животных. Существа разработали головокружительный массив узоров: полосы, пятна, бриллианты, шевроны, шестиугольники и даже лабиринт. Некоторые, как павлины, хотят, чтобы их видели, чтобы привлечь соперника или отпугнуть соперника или хищника. Другие, такие как тигры или самки уток, должны смешаться, чтобы либо подкрасться к добыче, либо не стать самим обедом. Некоторые шаблоны возникают просто или случайным образом, но другие развиваются за счет сложных, точных взаимодействий систем генерации шаблонов. Помимо их красоты, тонкости этих систем вдохновляют ученых, которые стремятся прояснить, как тигр получил свои полосы, гепард - свои пятна и многое другое. Черные точки на далматинцах генерируются случайным образом. Так же, как и черно-оранжевые пятна на бязь.

Но полосы бурундуков и тигров, пятна на рыбах и курах и многие другие славные животные черты заложены с изысканной точностью. В замечательном подвиге самоорганизации однородная поверхность становится узорчатой. Человеком, который понял, как это происходит, был Алан Тьюринг. Возможно, вы знаете его как математика 20-го века, который сломал нацистские коды во время Второй мировой войны и разработал ранние концепции в области искусственного интеллекта. Тьюринг также превратил свои математические навыки в понимание того, как могут появиться регулярные черты на развивающемся эмбрионе. С тех пор ученые применили свои уравнения к разработке таких узоров, как гребни отпечатков пальцев, места, где прорастут волосы, и цветовые узоры, такие как полосы и пятна. И оказывается, что он действительно был в чем-то: сегодня ученые, изучающие животные шаблоны, все еще считают идеи Тьюринга удивительно эффективными, особенно в сочетании с другими факторами, которые развивают шаблоны дальше. Вот красочный тур по тому, что ученые изучают сегодня, начиная с классической теории Тьюринга. Создатель пятен - это самая простая версия узоров Тьюринга. Он включает в себя два ключевых вещества, или морфогены, как их называл Тьюринг, которые могут перемещаться через развивающуюся кожу. Одно вещество, активатор, включается, а также включает другое вещество, ингибитор. Ингибитор блокирует активатор. Сама по себе эта система мало что делает. Но если вещества диффузируются через ткани с разной скоростью и вводятся некоторые случайные колебания, это может дать рисунок стабильных пятен на мехе, перье или чешуе. Скажем, активатор случайным образом включается в разных местах - он диффунгирует от своего источника, включая больше себя и ингибитора по мере движения. Если ингибитор диффузируется быстрее, чем активатор, локально не будет достаточно, чтобы заблокировать всю активность активатора. Это может привести к стабильным, равномерно распределенным пятнам активатора, окруженным зонами ингибитора.

Изменение параметров системы, таких как скорость генерации или перемещения морфогенов, или размера и формы пространства, в котором они движутся, может изменить окончательный шаблон. Например, хвост гепарда длинный и тощий; в этом узком пространстве пятна сливаются в полосы. "Простой механизм может создать удивительное, разнообразное и богатое разнообразие шаблонов", - говорит Сейта Миядзава, эволюционный биолог из Университета Осаки в Японии. Но иногда одних идей Тьюринга недостаточно, чтобы объяснить великолепные закономерности природы. Ученые должны вызвать дополнительных игроков. Вместо того, чтобы просто рассеивать химические вещества, сами клетки могут вступить в действие. Или животным могут понадобиться дополнительные трюки, чтобы транспортировать морфогены по тканям или сделать узоры острыми и четкими. Ученые также видят головокружительно сложные случаи, когда паттерны Тьюринга перекрываются дополнительными механизмами паттернирования или имеют больше, чем просто два взаимодействующих морфогена.

Рыба-зебра, одна из любимых рабочих лошадок биологов развития, спортивные чистые, черно-желтые полосы от головы до хвостового плавника. В этом случае этот шаблон создают не столько диффузионные вещества, сколько более сложные взаимодействия между самими пигментными клетками. Клетки двуются в двух ключевых типах: черные меланофоры и желтые ксантофоры. На коротком расстоянии они убивают или отталкивают друг друга, соперничество, которое разделяет их на отдельные полосы вдоль тела рыбы. Но в то же время черные клетки умрут, если они не получат какое-то вещество, еще не идентифицированное, из желтых клеток. Таким образом, они задержаются на безопасном расстоянии. Согласно теории Тьюринга, вещество, в котором черные клетки нуждаются в желтых клетках, будет поступать через диффузию, но есть проблема, говорит Ченг-Минг Чуонг, биолог из Университета Южной Калифорнии. Желтоклеточные клетки должны были бы пересекать молекулярно огромные расстояния - более 200 микрометров или около 20 клеток - чтобы достичь черных клеток. Это слишком далеко для диффузии, чтобы быть эффективной. Ученые обнаружили раствор рыбы-зебры в длинных, тощих придках, в которых черные клетки простираются в желтые области, как руки, достигающие этого необходимого вещества. И оказывается, что когда полосы впервые формируются, развивающиеся желтые клетки также делают проекции в сторону черных клеток, обеспечивая еще один таинственный фактор, который толкает черные клетки вместе в полосы.

Это все круто, но это только объясняет, как клетки минимизируют расстояния, которые эти специальные вещества должны преодолевать, а не то, как товары попадают из одной клетки в другую. Эта странная рыба-зебра предложила ответ. Это мутантная версия рыбы, называемая "леопард", потому что у нее есть пятна вместо полос. Ген, который сломан у мутанта, участвует в создании небольших каналов, называемых зазорными соединениями, между клетками. Таким образом, может быть, что рыбе нужны не только длинные клеточные конечности, но и зазорные соединения для перемещения веществ, которые создают полосы. Некоторые птицы также, кажется, используют тонкие клеточные проекции и зазорные соединения в своем узоре. Чуонг и его коллеги обнаружили, что обе черты связаны с полосами от головы до хвоста у японских перепелов. Когда исследователи вырастили перепелиную кожу в блюде, образовались видимые желтые и черные полосы, но желтые полосы стали очень худыми, когда зазорные соединения были закрыты химическим ингибитором. Разрывные соединения также способствуют сложной мутации полосатого пера, известной как меланотический у кур. Лейф Андерссон, генетик из Университета Уппсалы в Швеции и соавтор исследования курицы, считает, что может быть какой-то неизвестный морфоген, который путешествует - или не проходит - через зазорные соединения для создания узоров перьев. У богато украшенной рыбы-бокса с ее хрустящими шестиугольниками, похоже, есть собственное решение проблемы диффузии. Предположительно, если бы морфогены, которые контролируют его структуру, должны были диффузировать по тканям, они не могли бы создавать такие аккуратные угловые линии. Подумайте о красителе, распространяющемся в густой жидкости: капли разных цветов в конечном итоге станут нечеткими каплями.

Нечеткие шаблоны были именно тем, что произошло, когда инженер-химический и биологический инженер Анкур Гупта из Университета Колорадо в Боулдере и его тогдашний научный сотрудник Бен Алессио попытались смоделировать шестиугольные узоры в компьютерной модели Тьюринга. Они были совсем не похожи на то, что производит природа. Но ученые нашли решение в концепции, называемой диффузиофорезом, в которой маленькие молекулы толкают или тянут большие; это то, как маленькие молекулы мыла вытаскивают большие кусочки грязи из вашей одежды в стиральной машине. Когда исследователи добавили диффузиофорез в свои модели, узоры выглядели гораздо больше как чешуя коробчатых рыб, хотя они все еще были далеки от совершенства.

Исследователи подозревают, что какой-то маленький морфоген Тьюринга тащит пигментные клетки рыбы на место, и что рыба также использует другие методы создания узоров. "Абсолютно, есть и другие факторы, которые могут быть в игре", - говорит Гупта. Коричневые анолы, найденные по всему Карибскому бассейну, создали другой вид головоломки Тьюринга для Натали Фейнер, эволюционного биолога из Лундского университета в Швеции. Все самцы, похоже, используют одного и того же портного: у них на спине темные шевроны. Но женщины берутся в двух манерах: шевроны, как у мальчиков, или узор из светлых бриллиантов, окруженных более темными треугольниками. Файнер считает, что узор типа Тьюринга может легко объяснить алмазы, при этом клетки разных цветов мигрируют наружу от места, где в конечном итоге образуется позвоночник. Но с шевронами кажется, что эти бриллианты размазываются к хвосту. Почему так?

Генетика часто дает подсказки о механизмах паттернирования, и Файнер обнаружил корни анолов в гене под названием CCDC170. Одна версия гена CCDC170 генерирует алмазы, а другая - шевроны. Бриллианты доминируют, поэтому любая женщина с хотя бы одной версией бриллианта будет бриллиантовой спиной. Но случается так, что женщины вырабатывают больше белка CCDC170 в целом, чем мужчины. Таким образом, даже если у самцов есть алмазная версия гена, они, похоже, не могут собрать алмазный рисунок.

Функция белка CCDC170 также дала подсказку: это влияет на то, как клетки перемещаются. Ученые точно не понимают, как различные версии гена изменяют структуру, но они предполагают, что CCDC170 может управлять направлением, в котором пигментные клетки проходят при миграции с будущей линии позвоночника - с теми, которые движутся вбок, производя алмазы, и теми, которые движутся наружу и в хвост одновременно, создавая шевроны.

В конечном счете, анолы используют периодичность Тьюринга плюс дополнительный механизм: возможность распространить пигментные клетки в сторону хвоста и создать что-то другое. Вместо того, чтобы просто паттерн Тьюринга, это Тьюринг-плюс.