本文最初发布于 The Conversation。
动物皮肤上的图案，如斑马条纹和毒蛙的色斑，具有多种生物功能，包括 温度调节、 伪装和 警告信号。构成这些图案的颜色必须清晰且分隔良好才能有效。例如，作为警告信号，鲜明的颜色使其对其他动物清晰可见。作为伪装，分隔良好的颜色可以帮助动物更好地融入周围环境。
在我们新发表在《科学进展》（Science Advances）上的研究中，我的学生 Ben Alessio 和我 提出了一个 潜在机制，解释了这些鲜明的图案是如何形成的——这可能应用于医学诊断和合成材料。
一个思想实验可以帮助我们直观地理解实现鲜明色彩图案的挑战。想象一下，将一滴蓝色和红色的染料轻轻滴入一杯水中。由于 扩散过程，分子从高浓度区域移动到低浓度区域，染料会缓慢地在水中扩散。最终，水中的蓝色和红色染料将达到均匀浓度，变成紫色。因此，扩散倾向于造成颜色均匀。
自然会产生一个问题：在扩散存在的情况下，如何形成鲜明的色彩图案？
运动和边界
数学家 Alan Turing 在他 1952 年的开创性论文《 形态发生学的化学基础》中首次解决了这个问题。Turing 证明，在适当的条件下，产生颜色的化学反应可以相互作用，以一种对抗扩散的方式进行。这使得颜色能够自组织并形成具有不同颜色的互联区域，形成现在所谓的图灵图案。
然而，在数学模型中，由于扩散的存在，颜色区域之间的边界是模糊的。这与自然界不同，自然界中的边界通常是清晰的，颜色分隔良好。
我们的团队认为，要弄清楚动物如何创造出鲜明的色彩图案，可能可以从关于微米级粒子（例如 动物皮肤中产生颜色的细胞）的实验室实验中找到线索。 我的工作 以及 其他实验室 的研究发现，当微米级粒子置于其他溶解的溶质浓度高和浓度低的区域之间时，会形成 条带状结构。
在我们的思想实验的背景下，水中蓝色和红色染料浓度的变化可以驱动液体中的其他粒子朝特定方向移动。当红色染料进入浓度较低的区域时，附近的粒子会随着它一起移动。这种现象被称为 染料运移。
每当你 洗衣 时，你都会受益于染料运移：当肥皂分子从你的衬衫扩散到水中时，污垢颗粒会远离你的衣服。
绘制清晰的边界
我们想知道，由浓度差异区域组成的图灵图案是否也能驱动微米级粒子。如果可以，这些粒子形成的图案会是清晰的还是模糊的？
为了回答这个问题，我们 对图灵图案进行了计算机模拟——包括六边形、条纹和双点——发现染料运移使得所有情况下的图案都更加鲜明。这些染料运移模拟能够重现华丽箱鲀和宝石海鳗皮肤上复杂的图案，而仅凭图灵的理论是无法实现的。
进一步支持我们的假设，我们的模型能够重现一项关于细菌 E. coli 如何在体内移动分子货物（ 实验室研究）的发现。染料运移产生了更清晰的运动模式，证实了它在生物图案形成中的物理机制作用。
由于构成动物皮肤颜色颜料的细胞也是微米级的，我们的发现表明，染料运移可能在自然界中更广泛地创造鲜明的色彩图案方面起着关键作用。
学习自然的“技巧”
理解自然界如何编程特定的功能，可以帮助研究人员设计执行类似任务的合成系统。
实验室实验表明，科学家们可以利用染料运移来创建 无膜滤水器 和 低成本药物开发工具。
我们的工作表明，将形成图灵图案的条件与染料运移相结合，也可以构成人工皮肤贴片的基础。就像动物中具有适应性的皮肤图案一样，当图灵图案发生变化——例如从六边形变为条纹——这表明体内或体外化学浓度存在潜在差异。
能够感知这些变化的皮肤贴片可以通过检测生化标志物的变化来诊断疾病和监测患者健康状况。这些皮肤贴片还可以感知环境中危险化学物质浓度的变化。
未来的工作
我们的模拟仅限于球形粒子，而皮肤中产生色素的细胞形状各不相同。形状对复杂图案形成的影响仍然不清楚。
此外，色素细胞在复杂的生物环境中移动。需要更多的研究来了解这种环境如何抑制运动并可能冻结图案。
除了动物皮肤图案，图灵图案在 胚胎发育 和 肿瘤形成 等其他过程中也至关重要。我们的工作表明，染料运移可能在这些自然过程中扮演着一个被低估但重要的角色。
研究生物图案的形成，将帮助研究人员离模仿其实验室功能更近一步——这是一个 由来已久 的努力，可能造福社会。
Ankur Gupta 是科罗拉多大学博尔德分校化学与生物工程助理教授。披露声明：Ankur Gupta 获得 NSF (CBET – 2238412) 和 ACS 石油研究基金 (65836 – DNI9) 的资助。
