动物皮肤上的图案，例如斑马条纹和毒蛙色块，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开才能有效。例如，作为警告信号，不同的颜色使它们对其他动物清晰可见。作为伪装，分离良好的颜色可以让动物更好地融入周围环境。

在我们新发表的《科学进展》研究中，我和我的学生本·阿莱西奥(BenAlessio)提出了一种潜在的机制来解释这些独特模式是如何形成的——这可能会应用于医学诊断和合成材料。

思想实验可以帮助想象实现独特颜色图案的挑战。想象一下在一杯水中轻轻加入一滴蓝色和红色染料。由于扩散过程，分子从浓度较高的区域移动到浓度较低的区域，液滴将缓慢地分散在整个水中。最终，水将具有均匀浓度的蓝色和红色染料并变成紫色。因此，扩散往往会产生颜色均匀性。

自然会出现一个问题：在扩散的情况下如何形成不同的颜色图案?

运动和边界

数学家艾伦·图灵在其1952年的开创性论文“形态发生的化学基础”中首次解决了这个问题。图灵表明，在适当的条件下，产生颜色的化学反应可以以抵消扩散的方式相互作用。这使得颜色能够自组织并创建具有不同颜色的互连区域，形成现在所谓的图灵图案。

然而，在数学模型中，颜色区域之间的边界由于扩散而变得模糊。这与自然界不同​​，自然界中的边界通常很清晰，颜色也很好地分开。

我们的团队认为，可以在微米级颗粒的实验室实验中找到弄清楚动物如何创造独特颜色图案的线索，例如参与产生动物皮肤颜色的细胞。我的工作和其他实验室的工作发现，当微米级颗粒放置在其他溶解溶质浓度高的区域和其他溶解溶质浓度低的区域之间时，会形成带状结构。

在我们的思想实验中，水中蓝色和红色染料浓度的变化可以推动液体中的其他颗粒向某些方向移动。当红色染料移动到浓度较低的区域时，附近的颗粒将随之被携带。这种现象称为扩散电泳。

每当您洗衣服时，您都会受益于扩散电泳：当肥皂分子从您的衬衫扩散到水中时，污垢颗粒会从您的衣服上消失。

划清界限

我们想知道由浓度差异区域组成的图灵图案是否也可以移动微米大小的粒子。如果是这样，这些粒子产生的图案会是清晰的而不是模糊的吗?

该视频显示小颗粒由于一种称为扩散渗透的相关现象而移动。

为了回答这个问题，我们对图灵图案(包括六边形、条纹和双点)进行了计算机模拟，发现扩散电泳使所得图案在所有情况下都显着更加独特。这些扩散电泳模拟能够复制华丽箱鲀和宝石海鳗皮肤上的复杂图案，而仅靠图灵理论是不可能实现的。

我们的模型能够重现关于大肠杆菌如何在其内部移动分子货物的实验室研究结果，进一步支持了我们的假设。扩散电泳导致更清晰的运动模式，证实了其作为生物模式形成背后的物理机制的作用。

由于产生构成动物皮肤颜色的色素的细胞也是微米大小的，因此我们的研究结果表明，扩散电泳可能在自然界更广泛地创造独特的颜色图案方面发挥着关键作用。

学习大自然的技巧

了解大自然如何编程特定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，科学家可以利用扩散电泳技术来制造无膜水过滤器和低成本的药物开发工具。

我们的工作表明，将形成图灵模式的条件与扩散电泳相结合也可以形成人造皮肤贴片的基础。就像动物的适应性皮肤图案一样，当图灵图案发生变化(例如从六边形到条纹)时，这表明体内或体外化学浓度的根本差异。

能够感知这些变化的皮肤贴片可以通过检测生化标记物的变化来诊断医疗状况并监测患者的健康状况。这些皮肤贴片还可以感知环境中有害化学物质浓度的变化。

未来的工作

我们的模拟专门关注球形颗粒，而在皮肤中产生色素的细胞有不同的形状。形状对复杂图案形成的影响仍不清楚。

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该环境如何抑制运动并可能将模式冻结在适当的位置。

除了动物皮肤图案之外，图灵图案对于胚胎发育和肿瘤形成等其他过程也至关重要。我们的工作表明，扩散电泳可能在这些自然过程中发挥着未被充分认识的但重要的作用。

研究生物模式如何形成将有助于研究人员在实验室中模仿它们的功能更近一步——这是一项可以造福社会的古老努力。

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