Wie entstehen die sich ständig verändernden Muster bei Tieren?

Zusammenfassung: Die physikalischen Prozesse, die zum Entfernen von Schmutz aus schmutziger Wäsche verwendet werden, könnten auch eine Rolle bei der Erklärung der Musterbildung bei Tieren spielen.

Autor: Prinzip

Von den Flecken eines Leoparden über die Streifen eines Zebras bis hin zu den Markierungen eines Pfeilgiftfrosches ist die Natur voller unzähliger Muster. Diese Muster bei Tieren sind mehr als nur dekorativ, sie erfüllen tatsächlich eine Reihe biologischer Funktionen, wie etwa Temperaturregulierung, Tarnung, Anlocken von Partnern und Senden von Warnsignalen. Allerdings ist den Wissenschaftlern noch immer nicht ganz klar, wie diese Muster entstehen.

In einer am 8. November in der Fachzeitschrift Science Advances veröffentlichten Studie zeigte ein Forscherteam, dass die physikalischen Prozesse, die zum Entfernen von Schmutz aus schmutziger Wäsche verwendet werden, auch eine Rolle bei der Erklärung der Entstehung dieser Muster spielen könnten.

Turings Reaktions-Diffusionsmechanismus

Wenn es um Muster bei Tieren geht, müssen wir einen Wissenschaftler erwähnen, den berühmten Wissenschaftler Alan Turing. Die meisten Menschen haben von Turing den Eindruck, er habe große Beiträge zur Code-Entschlüsselung und künstlichen Intelligenz geleistet, doch tatsächlich ist er auch seit langem in der Biomathematik-Forschung tätig. Im Jahr 1952 veröffentlichte er eine sehr visionäre Abhandlung. In diesem Artikel schlug er ein sehr einfaches Modell vor, um zu erklären, wie Muster wie Streifen, Flecken und Schuppen bei Tieren entstehen.

Turings Modell wird als Reaktions-Diffusions-Mechanismus bezeichnet und ist ein sehr einfaches Modell, das nur zwei interagierende Agentien erfordert, einen Aktivator und einen Inhibitor. Aktivatoren initiieren Prozesse wie die Plaquebildung und fördern ihre eigene Produktion; Inhibitoren verhindern das Auftreten dieser beiden Effekte.

Wir können Turings Theorie anhand eines von Professor James Murray von der Universität Oxford beschriebenen Szenarios verstehen. Stellen Sie sich ein Feld mit trockenem Gras und vielen Heuschrecken vor. Wenn sich ein paar zufällige Stellen im Gras entzünden, breitet sich das Feuer ohne Wasser zur Unterdrückung der Flammen aus und versengt das gesamte Feld gleichmäßig. Würde dies jedoch im Rahmen des Turing-Mechanismus geschehen, würde die Hitze des sich ausbreitenden Feuers die Heuschrecken zum Schwitzen bringen und ausreichend Feuchtigkeit produzieren, um das umliegende Gras zu befeuchten und so eine Ausbreitung des Feuers auf feuchte Bereiche zu verhindern. Auf diese Weise wird der verkohlte Bereich auf einen begrenzten Bereich beschränkt. In diesem Szenario ist das Feuer ein Aktivator und die Heuschrecke ein Hemmer.

Obwohl der von Turing vorgeschlagene Mechanismus ein Muster erzeugen kann, besteht das Problem darin, dass durch Diffusion kein Muster mit klaren Umrissen entstehen kann. Es ist, als würden wir Tinte ins Wasser tropfen. Die Tinte verteilt sich in alle Richtungen und hinterlässt einen verschwommenen Umriss.

Ein Vorgang ähnlich dem Wäschewaschen

Um das Geheimnis des Turing-Musters weiter zu lüften, konzentrierten sich die Wissenschaftler in der neuen Studie auf ein Phänomen namens Diffusionselektrophorese. Bei der Diffusionselektrophorese kommt es zu einer Bewegung von Molekülen in einer Flüssigkeit als Reaktion auf eine Veränderung in der Flüssigkeit, beispielsweise eine Erhöhung oder Verringerung der Konzentration, wodurch die Bewegung anderer Molekülarten in der gleichen Umgebung beschleunigt wird.

Tatsächlich profitieren Sie im Alltag beim Wäschewaschen von der Diffusionselektrophorese. Wenn Sie in Seife getränkte Kleidungsstücke mit klarem Wasser ausspülen oder in Seife getränkte Kleidungsstücke mit Seifenwasser ausspülen, mit welcher Methode lässt sich der Schmutz Ihrer Meinung nach schneller entfernen? Eine Studie aus dem Jahr 2018 legt nahe, dass die Antwort Ersteres ist. Dies liegt daran, dass, wenn Seife aus dem Stoff in Wasser mit einer geringeren Seifenkonzentration diffundiert, die Bewegung der Seifenmoleküle den Schmutz wegtragen kann; Wenn man hingegen mit Seife getränkte Kleidung in Seifenwasser legt, bleibt der Schmutz aufgrund des fehlenden Konzentrationsunterschieds dort, wo er ist.

Um herauszufinden, ob die Diffusionselektrophorese auch bei der Musterbildung bei Tieren eine Rolle spielt, simulierten die Forscher die komplexen und klaren Muster, die bei Kofferfischen zu sehen sind. Das Muster des Kofferfisches besteht aus violetten Punkten, die jeweils von einer deutlich erkennbaren sechseckigen gelben Umrandung umgeben sind.

Die Forscher simulierten zunächst die violetten und schwarzen sechseckigen Muster auf der Haut des Kofferfisches ausschließlich mithilfe von Turing-Gleichungen. Es stellte sich heraus, dass der Computer ein Bild erzeugte, das aus unscharfen violetten Punkten und unscharfen schwarzen Umrissen bestand. Das heißt, das Reaktions-Diffusions-Modell kann das Wesentliche des Musters erfassen, kann das Muster jedoch nicht mit klaren Umrissen reproduzieren. Anschließend modifizierten die Forscher die Gleichung, um den Effekt der Diffusionselektrophorese zu berücksichtigen. Sie stellten fest, dass Reaktions-Diffusions-Simulationen mit diffuser Elektrophorese Muster erzeugten, die denen bei Kofferfischen ähneln.

Das Foto oben zeigt einen männlichen Kofferfisch. Das untere linke Bild zeigt eine Nahaufnahme des sechseckigen Musters auf dem Kofferfisch; Das untere mittlere Bild zeigt das auf Grundlage der Reaktions-Diffusionstheorie von Turing simulierte Muster. Das untere rechte Bild zeigt die Ergebnisse einer Reaktions-Diffusions-Simulation unter Hinzufügung einer diffusen Elektrophorese. Foto/The Birch Aquarium/Scripps Institution of Oceanography und Benjamin Alessio

Ihre Theorie geht davon aus, dass chemische Wirkstoffe bei ihrer Diffusion durch das Gewebe pigmentbildende Zellen durch Diffusionselektrophorese mit sich ziehen, so wie Seife Schmutz aus der Kleidung zieht. Diese Pigmentzellen bilden die scharf abgegrenzten Flecken und Streifen.

Die Diffusionselektrophorese wird unterschätzt

Diese neue Studie legt nahe, dass die Diffusivorie im Bereich der Musterbildung möglicherweise unterschätzt wird. Neben Mustern bei Tieren sind Turing-Muster tatsächlich auch für Prozesse wie die Embryonalentwicklung und die Tumorbildung von entscheidender Bedeutung. Daher spielt die Diffusiophorese in diesen natürlichen Prozessen möglicherweise eine unterschätzte, aber entscheidende Rolle.

Das Verständnis der Rolle der Diffusionselektrophorese bei der Musterbildung könnte Wissenschaftlern auch dabei helfen, Materialien zu entwickeln, die in Bereichen wie Photonik, Lab-on-a-Chip-Geräten und Biotechnologie eingesetzt werden können. Insgesamt stellt diese Entdeckung der Rolle der Diffusiophorese bei der Musterbildung eine Grundlage für künftige Forschung dar und hat das Potenzial, zahlreiche Bereiche zu beeinflussen.

Dieser Artikel ist eine vom Science Popularization China Starry Sky Project unterstützte Arbeit

Autor: Prinzip

Gutachter: Ye Sheng, Professor der Universität für Luft- und Raumfahrt in Peking

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.