[논문] 동물의 피부 패턴은 물리학의 문제입니다. 연구를 통해 의료 진단 및 합성 물질을 개선할 수 있습니다.

얼룩말 줄무늬, 독개구리 색 패치와 같은 동물 피부의 패턴은 다음과 같은 다양한 생물학적 기능을 수행합니다. 온도 조절, 위장 그리고 경고 신호. 이러한 패턴을 구성하는 색상은 뚜렷하고 잘 분리되어야 효과적입니다. 예를 들어, 경고 신호로서 뚜렷한 색상을 통해 다른 동물이 이를 명확하게 볼 수 있습니다. 그리고 위장으로서 잘 구분된 색상을 사용하면 동물이 주변 환경과 더 잘 조화를 이룰 수 있습니다.

우리가 새로 발표한 연구에서는 과학 발전내 학생 잘했어 알레시오 그리고 나 제안하다 잠재적 메커니즘 의료 진단 및 합성 물질에 잠재적으로 적용될 수 있는 이러한 독특한 패턴이 어떻게 형성되는지 설명합니다.

사고 실험은 독특한 목표를 달성하려는 과제를 시각화하는 데 도움이 될 수 있습니다. 색상 패턴. 물 한 컵에 파란색과 빨간색 염료 한 방울을 부드럽게 추가한다고 상상해 보세요. 방울은 물 전체에 천천히 분산됩니다. 확산 과정, 분자가 농도가 높은 곳에서 농도가 낮은 곳으로 이동하는 현상입니다. 결국 물은 파란색과 빨간색 염료의 농도가 균일해지고 보라색이 됩니다. 따라서 확산은 색상 균일성을 생성하는 경향이 있습니다.

자연스럽게 질문이 생깁니다. 확산이 있을 때 뚜렷한 색상 패턴이 어떻게 형성될 수 있습니까?

움직임과 경계

수학자 앨런 튜링(Alan Turing)은 1952년 자신의 중요한 논문에서 이 문제를 처음으로 언급했습니다.형태발생의 화학적 기초.” 튜링은 적절한 조건 하에서 화학 반응 색상 생성에 관여하는 요소는 확산을 방해하는 방식으로 서로 상호 작용할 수 있습니다. 이를 통해 색상이 자체 구성되고 서로 다른 색상으로 상호 연결된 영역을 생성하여 현재 튜링 패턴이라고 불리는 패턴을 형성할 수 있습니다.

그러나 수학적 모델에서는 확산으로 인해 색상 영역 간의 경계가 모호해집니다. 이는 경계가 뚜렷하고 색상이 잘 구분되는 자연과는 다릅니다.

우리 팀은 동물들이 어떻게 독특한 색상 패턴을 만드는지 알아낼 수 있는 단서를 다음에서 찾을 수 있다고 생각했습니다. 실험실 실험 와 같은 미크론 크기의 입자에 대해 색상 생성에 관여하는 세포 동물의 가죽. 내 작품 그리고 직장에서 다른 연구실 마이크론 크기의 입자가 형성된다는 사실을 발견했습니다. 줄무늬 구조 다른 용해된 용질의 농도가 높은 영역과 다른 용해된 용질의 농도가 낮은 영역 사이에 위치할 때.

우리의 맥락에서 사고 실험, 물 속의 파란색과 빨간색 염료의 농도 변화는 액체 속의 다른 입자를 특정 방향으로 움직이게 할 수 있습니다. 빨간색 염료가 농도가 낮은 영역으로 이동하면 근처의 입자도 함께 운반됩니다. 이 현상은 확산영동법(diffusiophoresis)이라고 불리는.

다음과 같은 경우에는 확산영동법의 이점을 누릴 수 있습니다. 빨래를 해라: 비누 분자가 셔츠에서 물 속으로 확산되면서 먼지 입자가 옷에서 멀어집니다.

날카로운 경계 그리기

우리는 농도 차이 영역으로 구성된 튜링 패턴이 마이크론 크기의 입자도 움직일 수 있는지 궁금했습니다. 그렇다면 이러한 입자의 결과 패턴이 선명하고 흐릿하지 않습니까?

이 질문에 답하기 위해 우리는 실시된 컴퓨터 시뮬레이션 육각형, 줄무늬 및 이중 점을 포함한 튜링 패턴의 연구를 통해 확산 영동법이 모든 경우에 결과 패턴을 훨씬 더 뚜렷하게 만든다는 사실을 발견했습니다. 이러한 확산 영동 시뮬레이션은 화려한 복어와 보석 곰치의 피부에 복잡한 패턴을 복제할 수 있었는데, 이는 튜링의 이론만으로는 불가능합니다.

우리의 가설을 더욱 뒷받침하면서 우리의 모델은 다음의 결과를 재현할 수 있었습니다. 실험실 연구 대장균(E. coli) 박테리아가 어떻게 분자 화물을 자신 내부로 이동시키는가에 대해 설명합니다. 확산 영동법은 더 날카로운 움직임 패턴을 가져오며 생물학적 패턴 형성 뒤에 있는 물리적 메커니즘으로서의 역할을 확인합니다.

동물의 피부색을 구성하는 색소를 생성하는 세포도 미크론 크기이기 때문에 우리의 연구 결과는 확산영동이 자연에서 보다 광범위하게 독특한 색상 패턴을 생성하는 데 중요한 역할을 할 수 있음을 시사합니다.

자연의 비법을 배우다

자연이 특정 기능을 어떻게 프로그램하는지 이해하면 연구자들이 유사한 작업을 수행하는 합성 시스템을 설계하는 데 도움이 될 수 있습니다.

실험실 실험에 따르면 과학자들은 확산영동법을 사용하여 다음을 생성할 수 있습니다. 멤브레인리스 정수 필터 그리고 저가형 신약 개발 도구.

우리의 연구는 튜링 패턴을 형성하는 조건과 확산 영동법을 결합하면 인공 피부 패치의 기초를 형성할 수도 있음을 시사합니다. 동물의 적응형 피부 패턴과 마찬가지로 튜링 패턴이 육각형에서 줄무늬로 변경되면 이는 신체 내부 또는 외부의 화학 농도의 근본적인 차이를 나타냅니다.

이러한 변화를 감지할 수 있는 피부 패치는 생화학적 지표의 변화를 감지하여 질병을 진단하고 환자의 건강을 모니터링할 수 있습니다. 이러한 피부 패치는 환경 내 유해 화학 물질 농도의 변화도 감지할 수 있습니다.

앞으로 해야 할 일

우리의 시뮬레이션은 구형 입자에만 초점을 맞춘 반면, 안료를 생성하는 세포는 피부 다양한 모양으로 나오죠. 복잡한 패턴 형성에 대한 모양의 영향은 아직 불분명합니다.

게다가 색소세포는 복잡한 생물학적 환경에서 움직인다. 해당 환경이 어떻게 동작을 억제하고 잠재적으로 패턴을 제자리에 고정시키는지 이해하려면 더 많은 연구가 필요합니다.

게다가 동물 가죽 패턴, 튜링 패턴은 다음과 같은 다른 프로세스에도 중요합니다. 배아 발달 그리고 종양 형성. 우리의 연구는 확산영동이 이러한 자연 과정에서 과소평가되었지만 중요한 역할을 할 수 있음을 시사합니다.

생물학적 방법을 연구 패턴 양식은 연구자들이 실험실에서 자신의 기능을 모방하는 데 한 걸음 더 가까이 다가가는 데 도움이 됩니다.오래된 노력 그것은 사회에 도움이 될 수 있습니다.

이 기사는 다음에서 재출판되었습니다. 대화 크리에이티브 커먼즈 라이센스에 따라. 읽기 원본 기사.