雄性麗牛角魚(yú)。左下：魚(yú)的天然六邊形圖案特寫(xiě)；下中：基于圖靈反應(yīng)擴(kuò)散理論的魚(yú)紋模擬；右下：擴(kuò)散電泳增強(qiáng)反應(yīng)擴(kuò)散模擬。圖片來(lái)源：BIRCH水族館/斯克里普斯海洋學(xué)研究所/科羅拉多大學(xué)博爾德分校
科技日?qǐng)?bào)北京11月9日電 （記者張夢(mèng)然）大自然并不缺乏圖案。比如人們熟悉的豹子斑點(diǎn)、斑馬條紋，以及麗牛角魚(yú)的六邊形。但這些圖案如何形成的？一直以來(lái)都沒(méi)有完整的解釋。現(xiàn)在，美國(guó)科羅拉多大學(xué)博爾德分校的工程師證明，幫助去除衣物污垢的物理過(guò)程，也在熱帶魚(yú)獲得彩色條紋和斑點(diǎn)的過(guò)程中發(fā)揮作用。該研究結(jié)果發(fā)表在8日的《科學(xué)進(jìn)展》雜志上。
1952年，數(shù)學(xué)家艾倫·圖靈曾提出一個(gè)關(guān)于動(dòng)物如何獲得自身圖案的大膽理論。他假設(shè)，隨著組織的發(fā)育，會(huì)產(chǎn)生化學(xué)物質(zhì)，這些物質(zhì)通過(guò)組織擴(kuò)散，其過(guò)程類(lèi)似于將牛奶添加到咖啡中。
但是，圖靈機(jī)制雖然能產(chǎn)生圖案，卻不會(huì)擴(kuò)散出清晰的圖案——當(dāng)牛奶擴(kuò)散到咖啡中時(shí)，它會(huì)以模糊的輪廓向各個(gè)方向流動(dòng)。
以麗牛角魚(yú)身上的圖案為例，這些圖案非常復(fù)雜，具有明顯的六邊形黃色輪廓。研究人員認(rèn)為，僅靠圖靈理論無(wú)法解釋?zhuān)瑸榇怂麄冮_(kāi)始探索擴(kuò)散電泳過(guò)程是否在自然圖案的形成中發(fā)揮著作用。
當(dāng)分子響應(yīng)濃度差異等變化而在液體中移動(dòng)時(shí)，就會(huì)發(fā)生擴(kuò)散電泳，并加速同一環(huán)境中其他類(lèi)型分子的移動(dòng)。這實(shí)際上就是衣物如何變干凈的方法。
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，這是因?yàn)榉试矸肿拥倪\(yùn)動(dòng)會(huì)吸出污垢。當(dāng)衣服放入肥皂水中時(shí)，肥皂濃度沒(méi)有差異，污垢會(huì)留在原處。
此次研究人員使用圖靈方程對(duì)麗牛角魚(yú)皮膚進(jìn)行了模擬。計(jì)算機(jī)生成了帶有模糊紫色點(diǎn)和微弱黑色輪廓的圖案，然后該團(tuán)隊(duì)修改了方程納入擴(kuò)散電泳模式，結(jié)果顯示，生成的圖案與魚(yú)身上看到的明亮而銳利的雙色六邊形圖案非常相似。
這意味著化學(xué)物質(zhì)像圖靈所描述的那樣通過(guò)組織擴(kuò)散時(shí)，它們也會(huì)通過(guò)擴(kuò)散電泳拖曳產(chǎn)生色素細(xì)胞，就像肥皂從衣物中去除污垢一樣，這些色素細(xì)胞形成輪廓更清晰的斑點(diǎn)和條紋。
這項(xiàng)研究不僅具有在工程和材料科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，還為研究擴(kuò)散電泳在胚胎發(fā)育和腫瘤形成等生物過(guò)程中的作用提供了借鑒。
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