Откуда в окраске животных берутся резкие градиенты?

Многие сложные паттерны, которые характерны для живых существ, — такие как пятна или полосы на мехе, коже или чешуе, — определяются морфогенезом и могут возникать за счет самоорганизации систем в результате физико-химических процессов. Они не требуют сложной биологической регуляции и генетически заданного окраса каждой точки. Соответствующую теорию первым предложил британский математик и криптограф Алан Тьюринг в своей статье «Химические основы морфогенеза» (1952). Такие паттерны получили имя Тьюринга: они хорошо описывают ряд химических и биологических систем — например, распределение волосяных фолликулов или полосатую окраску Danio rerio.

В то же время классические представления Тьюринга, рассматривающие химические превращения на фоне диффузии метаболитов, не объясняют резкости и высокой контрастности животных узоров. Авторы статьи в журнале Science Advances предложили более корректную модель, которая дополнительно учитывает вклад конвективных потоков в реакционной среде. Предполагается, что такие условия более естественны — они, в частности, создаются в ходе экспериментов с микрофлюидикой. При этом вызванная градиентами концентраций диффузия перемещает уже не отдельные молекулы, а коллоидные частицы.

Соответствующий режим функционирования физико-химических систем предполагает высокие значения числа Пекле (Péclet number). Его рассчитывают как соотношение конвекции и диффузии в системе — он велик в условиях преобладания конвективных потоков.

Такой процесс носит название диффузиофорез — последние 10 лет он привлекает все больше внимания в качестве ключевого участника многих биологических процессов. Он определяет, в частности, появление «зоны отчуждения» рядом с заряженными поверхностями. Кроме того, диффузиофорез нашел и практическое применение — для очистки пористых и волокнистых материалов от загрязнителей в градиенте детергента.

В основе нового исследования — предположение о том, что в ходе образования паттернов Тьюринга в биологических системах поведение хроматофоров (пигментных частиц разного типа) соответствует именно диффузиофорезу, начинающемуся в ответ на физиологические реакции. Это подтверждают три аргумента. Во-первых, типичный размер хроматофора варьирует в диапазоне от 1 до 30 микрометров, что соответствует способным к диффузиофорезу коллоидным частицам. Во-вторых, новые экспериментальные данные говорят о том, что хроматофоры несут заряд и активно взаимодействуют с окружающей средой. Наконец, происходящие в ткани биологические процессы действительно могут создавать градиенты концентраций малых молекул, которые вступают в реакции с хромофорами. Авторы работы приводят и другое важное свидетельство — диффузиофорез покрытых хроматофорами частиц напрямую наблюдали в экспериментах.

При этом ученые отмечают, что в реальных биологических системах диффузиофорез носит сложный характер из-за влияния межклеточной адгезии и препятствий в виде пористых мембран.

Предложенная модель представляет собой систему дифференциальных уравнений в частных производных. Она описывает два типа частиц в растворе с низкой концентрацией: малые растворимые молекулы и коллоидные частицы микронных размеров. Результаты такого моделирования сравнили с полученными на основе классического подхода Тьюринга и с реально наблюдаемыми паттернами окраски у рыб Aracana ornata (семейство аракановые), имеющих на коже полоски и шестиугольные ячейки, а также мурены Muraena lentiginosa, покрытой «двойными пятнами» (мелкие пятна внутри более крупных).

Проще всего предположить, что два рассматриваемых в модели вещества — это два разных хроматофора. В действительности такой подход не воспроизводит контрастную окраску рыб, хотя и создает похожие размытые паттерны. Двойные пятна в этом случае получить не удалось. 

Поэтому далее авторы рассмотрели систему с двумя качественно различными типами компонентов. Первый — растворимые малые молекулы (ими могут быть морфогены или медиаторы дальнего действия), второй — коллоидные частицы (хроматофоры). Такая модификация модели сильно влияет на формирование в ней паттернов Тьюринга, а ее реалистичность подтверждают экспериментальные данные. Новая система предполагает постоянное действие механических сил, растворимые компоненты создают градиенты и определяют общую динамику, что и вызывает диффузиофоретическое движение хроматофоров.

Новый подход позволил добиться контрастных границ узоров и лучше воспроизвести характерные для рассмотренных рыб разные диссипативные структуры — области с различной окраской, возникшие в ходе самоорганизации тканей. Эта работа — важное дополнение классических взглядов биофизиков на образование паттернов Тьюринга и морфогенез в целом, которая в силу общего характера модели может быть пригодиться для решения других биологических задач.

Окраску кошки определяет ингибитор сигнального пути Wnt