動物の絶えず変化する模様はどのようにして形成されるのでしょうか?

要約: 汚れた洗濯物から汚れを取り除くために使用される物理的なプロセスは、動物のパターンの形成方法を説明する上でも役割を果たす可能性があります。

著者: プリンシパル

ヒョウの斑点からシマウマの縞模様、毒カエルの模様まで、自然界には無数の模様が存在します。動物のこれらの模様は単なる装飾ではなく、実際には温度調節、カモフラージュ、配偶者を引き付ける、警告信号を送るなど、さまざまな生物学的機能を果たしています。しかし、科学者たちはまだ、これらのパターンがどのように形成されるのかを完全には理解していません。

11月8日にサイエンス・アドバンス誌に発表された研究で、研究者チームは、汚れた洗濯物から汚れを取り除くために使われる物理的なプロセスも、これらのパターンの形成を説明する役割を果たしている可能性があることを実証した。

チューリングの反応拡散メカニズム

動物の模様について言えば、有名な科学者、アラン・チューリングについて言及しなければなりません。チューリングといえば、暗号解読や人工知能への多大な貢献という印象が強いですが、実は彼は長年にわたり生物数学の研究にも携わっていました。 1952年に彼は非常に先見性のある論文を発表しました。この論文で彼は、動物の縞模様や斑点、鱗などの模様がどのように形成されるかを説明する非常に単純なモデルを提案した。

チューリングのモデルは反応拡散メカニズムと呼ばれ、相互作用する因子が 2 つ (1 つは活性剤、もう 1 つは阻害因子) のみを必要とする非常に単純なモデルです。活性化因子はプラーク形成などのプロセスを開始し、自身の生成を促進します。阻害剤はこれら両方の効果の発生を防ぎます。

オックスフォード大学のジェームズ・マレー教授が説明したシナリオを使うことで、チューリングの理論を理解することができます。たくさんのバッタがいる乾いた草原を想像してください。芝生の上のいくつかの場所がランダムに発火した場合、炎を抑える水がなければ、火は広がり、芝生全体を均等に焦がします。しかし、これがチューリングメカニズムの枠組みの中で起こっているとしたら、燃え広がる火の熱によってバッタは汗をかき、周囲の草を湿らせるのに十分な水分を生成し、火が湿った場所に燃え広がるのを防ぐことになるだろう。こうすることで、焦げる範囲が限られた範囲に限定されます。このシナリオでは、火は活性化要因であり、バッタは抑制要因です。

しかし、チューリングが提案したメカニズムはパターンを生成できるものの、拡散では輪郭がはっきりしたパターンを生成できないという問題がありました。それは、水にインクを落とすと、インクがぼやけた輪郭とともに四方八方に広がるようなものです。

衣服を洗うのと似たプロセス

チューリングパターンの謎をさらに解明するために、新しい研究の科学者たちは拡散電気泳動と呼ばれる現象に焦点を当てました。拡散電気泳動は、液体内の分子が濃度の増加や減少などの液体の変化に応じて移動し、同じ環境内の他の種類の分子の移動が速くなるときに発生します。

実際、日常生活では、衣類を洗濯するときに拡散電気泳動の恩恵を受けることができます。石鹸に浸した衣類をきれいな水で洗い流す場合と、石鹸に浸した衣類を石鹸水で洗い流す場合、どちらの方法の方が汚れが早く落ちると思いますか。 2018年の研究では、答えは前者だと示唆されています。これは、石鹸が布地から低濃度の水に拡散すると、石鹸分子の動きによって汚れが運び去られるためです。一方、石鹸をつけた衣類を石鹸水に入れると、濃度差がないため、汚れはそのまま残ります。

拡散電気泳動が動物の模様の形成にも役割を果たしているかどうかを確認するために、研究者らはハコフグに見られる複雑で鮮明な模様をシミュレートしました。ハコフグの模様は紫色の点から構成されており、それぞれの点の周りにははっきりとした六角形の黄色い輪郭が描かれています。

研究者らはまず、チューリング方程式のみを使用して、ハコフグの皮膚の紫と黒の六角形の模様をシミュレートした。コンピューターはぼやけた紫色の点とぼやけた黒い輪郭で構成された画像を生成したことが判明しました。つまり、反応拡散モデルはパターンの本質を捉えることはできますが、明確な輪郭を持つパターンを再現することはできません。その後、研究者らは拡散電気泳動の影響を考慮して方程式を修正した。彼らは、拡散電気泳動を加えた反応拡散シミュレーションにより、ハコフグに見られるパターンに類似したパターンが形成されることを発見した。

上の写真はオスのハコフグです。左下の画像は、ハコフグの六角形の模様のクローズアップです。下中央の画像は、チューリングの反応拡散理論に基づいてシミュレートされたパターンを示しています。右下の画像は、拡散電気泳動を追加した反応拡散シミュレーションの結果を示しています。写真/バーチ水族館/スクリップス海洋研究所およびベンジャミン・アレッシオ

彼らの理論によれば、化学物質が組織に拡散すると、石鹸が衣服から汚れを落とすのと同じように、拡散電気泳動によって色素生成細胞も一緒に引きずり込まれるという。これらの色素細胞は、はっきりとした斑点や縞模様を形成します。

拡散電気泳動は過小評価されている

この新しい研究は、パターン形成の分野では拡散性が過小評価されている可能性があることを示唆しています。動物のパターンに加えて、チューリングパターンは実際には胚の発達や腫瘍の形成などのプロセスにも重要です。したがって、拡散泳動はこれらの自然プロセスにおいて、過小評価されているが重要な役割を果たしている可能性がある。

パターン形成における拡散電気泳動の役割を理解することは、科学者がフォトニクス、ラボオンチップデバイス、バイオテクノロジーなどの分野で使用できる材料を開発するのにも役立つ可能性があります。全体として、パターン形成における拡散泳動の役割に関するこの発見は、将来の研究の基礎を提供し、多くの分野に影響を及ぼす可能性があります。

この記事は、科学普及中国星空プロジェクトの支援を受けた作品です。

著者: プリンシパル

査読者：北京航空航天大学教授 イェ・シェン

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司