動物身上的條紋和斑點是怎樣形成的？

箱魨魚（Boxfish）的皮膚上有黃色和紫色構成的清晰六邊形圖案。(Shutterstock) 

 

 

【大紀元2023年11月16日訊】（大紀元記者林達編譯報導）大自然並不缺乏各色各樣的美麗圖案，比如豹子的斑點，斑馬的條紋，箱魨魚（Boxfish）的六邊形圖案，不一而足。但針對這些圖案是如何形成的這個問題，仍缺少一個完整的解釋。一項新研究發現，被稱為擴散電泳的物理過程在其中扮演了重要角色。

 

科羅拉多大學博爾德分校的工程師們發現，去除衣物上的污垢與熱帶魚獲得彩色條紋其實是同一個物理過程。其研究結果發表在11月8日的《科學進展》（Science Advances）期刊上。

 

論文首席作者、化學與生物工程系的本科生研究員本傑明‧阿萊西奧（Benjamin Alessio）說：「許多生物學問題從根本上講都歸於同一個問題：當一切都從一個球形細胞團開始時，生物體如何發展出複雜的圖案和形狀。」「我們的工作使用簡單的物理和化學機制來解釋複雜的生物現象。」

 

生物學家認為，許多動物以皮毛圖案來偽裝自己或吸引配偶。例如，雖然基因編碼含有諸如豹子皮毛上的斑點顏色這類信息，但僅靠遺傳學並不能解釋這些斑點到底是如何形成的。

 

圖靈機制

 

1952年，在生物學家發現DNA雙螺旋結構之前，現代計算科學的奠基人、數學家艾倫‧圖靈（Alan Turing）提出了一個關於動物如何獲得各種圖案的大膽理論。

 

圖靈假設，隨著生物組織的發育，會產生各種化學物質。這些物質會通過生物組織進行擴散，其過程類似於將牛奶添加到咖啡中的情形。其中某些物質相互反應，會形成斑點。而其它的則會抑制上述能形成斑點的化學物質的擴散和反應，從而在斑點之間形成空白。圖靈的理論表明，這種簡單的「反應-擴散」（reaction-diffusion）模式無需複雜的遺傳過程，就足以解釋生物圖案形成的基礎過程。

 

「圖靈機制當然可以產生圖案，但擴散不會產生清晰的圖案。」化學與生物工程系助理教授、新研究的通訊作者安庫爾‧古普塔（Ankur Gupta）說。例如，當牛奶擴散到咖啡中時，會以模糊的輪廓向各個方向流動。

 

當阿萊西奧參觀聖地亞哥的博趣水族館（Birch Aquarium）時，箱魨魚身上的複雜圖案具有非常鮮明清晰的邊界，這給他留下了深刻的印象。它由一個紫色的點組成，周圍有一個明顯的六邊形黃色輪廓。他認為，僅靠圖靈的理論無法解釋這些六邊形的清晰輪廓。但這種圖案讓他想起了他一直在進行的計算機模擬，其中的粒子確實會形成類似的清晰條紋。阿萊西奧是古普塔研究小組（Gupta research group）的成員，他想知道被稱為「擴散電泳」（Diffusiophoresis）的過程是否在自然圖案的形成中發揮著作用。

 

當分子由於濃度差異而在液體中移動時，就會發生所謂的擴散電泳，並加速同一環境中其它類型分子的移動。雖然對於普通人來說這似乎是一個晦澀的概念，但實際上這就是使衣物變得乾淨的方法。

 

最近的一項研究表明，用清水沖洗肥皂浸泡的衣服比用肥皂水沖洗肥皂浸泡的衣服能更快地去除污垢。這是因為當肥皂從織物中擴散到肥皂濃度較低的水中時，肥皂分子的運動會吸出污垢。反之，當衣物用肥皂水沖洗時，肥皂濃度沒有差異，導致污垢留在原處。

 

電腦模擬

 

正如古普塔和阿萊西奧在模擬中觀察到的那樣，擴散電泳過程中分子的運動始終遵循清晰的軌跡，並產生輪廓清晰的圖案。

 

為了確定此過程是否可能在生成動物身體上的圖案上發揮作用，兩人僅使用圖靈方程對華麗的箱魨魚皮膚上紫色和黑色六邊形圖案進行了模擬。計算機生成了一張帶有模糊紫色點和微弱黑色輪廓的圖片。然後該團隊修改了圖靈方程以納入擴散電泳。結果證明，與魚身上明亮而銳利的雙色六邊形圖案更加相似。

 

團隊的理論表明，當化學物質像圖靈所描述的那樣通過生物組織進行擴散時，也會通過擴散電泳機制拖曳產生色素的細胞隨之一起移動，就像肥皂從衣服中將污垢攜帶出來一樣。這些色素細胞會進而形成輪廓更清晰的斑點和條紋。

 

在圖靈提出其開創性理論幾十年後，科學家已經利用這一機制來解釋生物學中的許多其它圖案，例如小鼠毛囊的排列和哺乳動物口腔頂部的脊。

 

古普塔希望其團隊正在進行的更多研究能夠進一步提高對圖案形成的理解，並激勵科學家去開發新型材料甚至新型藥物。

 

「研究結果強調，擴散電泳在圖案形成領域的作用可能被低估了。這項工作不僅具有在工程和材料科學領域的應用潛力，而且還為研究擴散電泳在胚胎和腫瘤形成等生物過程中的作用提供了機會。」古普塔說。

 

責任編輯：葉紫微