动物如何获得条纹和斑点

大自然并不缺乏图案，从豹子的斑点到斑马的条纹，再到箱鲀的六边形。但对这些模式如何形成的完整解释仍然难以捉摸。

现在，科罗拉多大学博尔德分校的工程师们已经证明，帮助去除衣物污垢的物理过程也可以在热带鱼获得彩色条纹和斑点的过程中发挥作用。他们的研究结果发表在11月8日的《科学进展》杂志上。

该论文的第一作者、化学与生物工程系的本科生研究员本杰明·阿莱西奥(BenjaminAlessio)说：“许多生物学问题从根本上来说都是同一个问题：当一切都从球形细胞团开始时，生物体如何发展出复杂的模式和形状。”。“我们的工作使用简单的物理和化学机制来解释复杂的生物现象。”

生物学家此前已经表明，许多动物进化出皮毛图案来伪装自己或吸引配偶。例如，虽然基因编码诸如豹子斑点颜色之类的模式信息，但仅靠遗传学并不能解释这些斑点到底会在哪里形成。

1952年，在生物学家发现DNA双螺旋结构之前，发明现代计算的数学家艾伦·图灵提出了一个关于动物如何获得模式的大胆理论。

图灵假设，随着组织的发育，它们会产生化学制剂。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。一些试剂相互反应，形成斑点。其他的则抑制药剂的扩散和反应，在斑点之间形成空间。图灵的理论表明，这种简单的反应扩散模型无需复杂的遗传过程，就足以解释生物模式形成的基础知识。

“图灵机制当然可以产生图案，但扩散不会产生清晰的图案，”化学与生物工程系助理教授、通讯作者安库尔·古普塔(AnkurGupta)说。例如，当牛奶在咖啡中扩散时，它会以模糊的轮廓向各个方向流动。

当阿莱西奥参观圣地亚哥的伯奇水族馆时，他对箱鲀复杂图案的锐利印象深刻：它由一个紫色点组成，周围有一个明显的六边形黄色轮廓，中间有厚厚的黑色间距。他认为，仅靠图灵的理论无法解释这些六边形的清晰轮廓。但这种图案让阿莱西奥想起了他一直在进行的计算机模拟，其中粒子确实形成了清晰的条纹。

阿莱西奥是古普塔研究小组的成员，他想知道扩散电泳的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。虽然对于非科学家来说这似乎是一个晦涩的概念，但实际上这就是衣物如何变得干净的方法。

最近的一项研究表明，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。这是因为当肥皂从织物中扩散到肥皂浓度较低的水中时，肥皂分子的运动会吸出污垢。当衣服放入肥皂水中时，由于肥皂浓度没有差异，污垢会留在原处。

正如古普塔和阿莱西奥在模拟中观察到的那样，扩散电泳过程中分子的运动始终遵循清晰的轨迹，并产生轮廓清晰的图案。

为了看看它是否可以在赋予动物生动的图案方面发挥作用，古普塔和阿莱西奥仅使用图灵方程对华丽的箱鱼皮肤上看到的紫色和黑色六边形图案进行了模拟。计算机生成了一张带有模糊紫色点和微弱黑色轮廓的图片。然后该团队修改了方程以纳入扩散电泳。结果证明，与鱼身上看到的明亮而锐利的双色六边形图案更加相似。

该团队的理论表明，当化学试剂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的细胞——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。

在图灵提出他的开创性理论几十年后，科学家们已经利用这一机制来解释生物学中的许多其他模式，例如小鼠毛囊的排列和哺乳动物口腔顶部的脊。

古普塔希望他们的研究以及他的研究小组正在进行的更多研究也能够提高对模式形成的理解，激励科学家开发创新材料甚至药物。

“我们的研究结果强调，扩散电泳在图案形成领域可能被低估了。这项工作不仅具有在工程和材料科学领域的应用潜力，而且还为研究扩散电泳在生物过程中的作用提供了机会，例如例如胚胎形成和肿瘤形成，”古普塔说。