Яркие полосы зебры, замысловатые пятна леопарда, причудливые узоры на панцирях рыб — природа словно художник, который не любит повторяться. Исследователи из Колорадского университета (США) усовершенствовали знаменитую математическую теорию, объясняющую природное разнообразие расцветок. Научную работу опубликовали в журнале Matter.

«В природе несовершенство встречается повсюду, — говорит ведущий автор исследования Анкур Гупта. — Мы предложили простую идею, которая может объяснить, как клетки группируются, чтобы создавать эти вариации».

В основе открытия лежит теория, которую еще в 1952 году предложил математик Алан Тьюринг. Он предположил, что в процессе развития эмбриона ткани производят особые химические вещества. Они распространяются, подобно тому, как молоко смешивается с кофе. Одни из этих веществ «включают» клетки, производящие пигмент, создавая пятно. Другие, наоборот, «выключают» их, оставляя промежутки без цвета. Ранее мы писали, как радиация повлияла на расцветку лягушек в Чернобыле.

Однако у этой теории был изъян. Компьютерные модели, основанные на расчетах Тьюринга, давали размытые, нечеткие пятна, не похожие на яркие и контрастные узоры в живой природе.

Команда Гупты усовершенствовала теорию, добавив в нее механизм под названием диффузиофорез. Это процесс, при котором движущиеся частицы увлекают за собой другие. Тот же принцип работает, когда мыло вытягивает грязь из ткани во время стирки.

Это помогло создать более четкие контуры, например, при моделировании шестиугольного узора на панцире иглобрюхой рыбы. Но возникла новая проблема — результат был слишком стерильным и идеальным.

«В природе ни у одного животного нет безупречного окраса», — поясняет Гупта. — «Полосы зебры всегда разной толщины, а пятна леопарда никогда не бывают абсолютно одинаковыми».

Ученые задались вопросом: а что, если учитывать не только химические процессы, но и реальные размеры самих клеток? Оказалось, что именно в этом кроется разгадка природного несовершенства. К слову, недавно биологи обнаружили морского слизня, похожего на яйцо. 

Представьте себе шарики для пинг-понга разного размера, катящиеся по трубе. Крупные шарики оставят более широкий след, а мелкие — тонкий. Иногда шарики сталкиваются и создают пробку, прерывая линию. Точно так же и в живой ткани: большие клетки, собираясь вместе, формируют более широкие полосы, а их случайные столкновения создают те самые разрывы и неровности, которые мы видим.

«Мы можем воссоздать эти несовершенства и текстуры, просто придав этим клеткам определенный размер», — отмечает Гупта.

Новая модель наконец-то смогла воспроизвести ту самую зернистую, живую текстуру, которая характерна для настоящих звериных шкур. Понимание того, как формируются узоры, открывает дорогу для удивительных технологий. Инженеры смогут создавать синтетические материалы, способные адаптироваться к окружающей среде, или разработать более эффективные системы доставки лекарств внутри организма.