Добавить новость
ru24.net
News in English
Ноябрь
2023

How did the zebra get its nicely patterned stripes? The answer may come from mathematician Alan Turing.

0

Turing patterns, named for mathematician Alan Turing, may help explain how animals' stripes, spots, and other patterns form.

zoo captivity zebra
A zebra's stripes help it hide from predators, but how do they form so evenly spaced?
The Conversation
  • Many animals, from zebras to fish, have unique patterns on their skin.
  • These stripes, spots, and splotches can help camouflage an animal or attract a mate.
  • Researchers have proposed an explanation for how the patterns form based on the "Turing patterns."

Patterns on animal skin, such as zebra stripes and poison frog color patches, serve various biological functions, including temperature regulation, camouflage, and warning signals. The colors making up these patterns must be distinct and well separated to be effective. For instance, as a warning signal, distinct colors make them clearly visible to other animals. And as camouflage, well-separated colors allow animals to better blend into their surroundings.

In our newly published research in Science Advances, my student Ben Alessio and I propose a potential mechanism explaining how these distinctive patterns form – that could potentially be applied to medical diagnostics and synthetic materials.

A thought experiment can help visualize the challenge of achieving distinctive color patterns. Imagine gently adding a drop of blue and red dye to a cup of water. The drops will slowly disperse throughout the water due to the process of diffusion, where molecules move from an area of higher concentration to lower concentration. Eventually, the water will have an even concentration of blue and red dyes and become purple. Thus, diffusion tends to create color uniformity.

A question naturally arises: How can distinct color patterns form in the presence of diffusion?

Movement and boundaries

Mathematician Alan Turing first addressed this question in his seminal 1952 paper, "The Chemical Basis of Morphogenesis." Turing showed that under appropriate conditions, the chemical reactions involved in producing color can interact with each other in a way that counteracts diffusion. This makes it possible for colors to self-organize and create interconnected regions with different colors, forming what are now called Turing patterns.

However, in mathematical models, the boundaries between color regions are fuzzy due to diffusion. This is unlike in nature, where boundaries are often sharp and colors are well separated.

A brown whitemouth moray (Gymnothorax meleagris) with white spots emerges from a rock underwater
Many marine animals have patterns to help them blend in with the underwater environment.

Our team thought a clue to figuring out how animals create distinctive color patterns could be found in lab experiments on micron-sized particles, such as the cells involved in producing the colors of an animal's skin. My work and work from other labs found that micron-sized particles form banded structures when placed between a region with a high concentration of other dissolved solutes and a region with a low concentration of other dissolved solutes.

In the context of our thought experiment, changes in the concentration of blue and red dyes in water can propel other particles in the liquid to move in certain directions. As the red dye moves into an area where it is at a lower concentration, nearby particles will be carried along with it. This phenomenon is called diffusiophoresis.

You benefit from diffusiophoresis whenever you do your laundry: Dirt particles move away from your clothing as soap molecules diffuse out from your shirt and into the water.

Drawing sharp boundaries

We wondered whether Turing patterns composed of regions of concentration differences could also move micron-sized particles. If so, would the resulting patterns from these particles be sharp and not fuzzy?

To answer this question, we conducted computer simulations of Turing patterns — including hexagons, stripes, and double spots — and found that diffusiophoresis makes the resulting patterns significantly more distinctive in all cases. These diffusiophoresis simulations were able to replicate the intricate patterns on the skin of the ornate boxfish and jewel moray eel, which isn't possible through Turing's theory alone.

Further supporting our hypothesis, our model was able to reproduce the findings of a lab study on how the bacterium E. coli moves molecular cargo within themselves. Diffusiophoresis resulted in sharper movement patterns, confirming its role as a physical mechanism behind biological pattern formation.

Because the cells that produce the pigments that make up the colors of an animal's skin are also micron-sized, our findings suggest that diffusiophoresis may play a key role in creating distinctive color patterns more broadly in nature.

Learning nature's trick

Understanding how nature programs specific functions can help researchers design synthetic systems that perform similar tasks.

Lab experiments have shown that scientists can use diffusiophoresis to create membrane-less water filters and low-cost drug development tools.

Our work suggests that combining the conditions that form Turing patterns with diffusiophoresis could also form the basis of artificial skin patches. Just like adaptive skin patterns in animals, when Turing patterns change — say from hexagons to stripes — this indicates underlying differences in chemical concentrations inside or outside the body.

Giraffe
Giraffes are known almost as much for their splotches as for their long necks.

Skin patches that can sense these changes could diagnose medical conditions and monitor a patient's health by detecting changes in biochemical markers. These skin patches could also sense changes in the concentration of harmful chemicals in the environment.

The work ahead

Our simulations exclusively focused on spherical particles, while the cells that create pigments in skin come in varying shapes. The effect of shape on the formation of intricate patterns remains unclear.

Furthermore, pigment cells move in a complicated biological environment. More research is needed to understand how that environment inhibits motion and potentially freezes patterns in place.

Besides animal skin patterns, Turing patterns are also crucial to other processes such as embryonic development and tumor formation. Our work suggests that diffusiophoresis may play an underappreciated but important role in these natural processes.

Studying how biological patterns form will help researchers move one step closer to mimicking their functions in the lab — an age-old endeavor that could benefit society.

Ankur Gupta is an assistant professor of chemical and biological engineering at the University of Colorado Boulder.

Read the original article on Business Insider



Moscow.media
Частные объявления сегодня





Rss.plus



Филиал № 4 ОСФР по Москве и Московской области информирует: С 1 августа Соцфонд увеличит страховые пенсии россиян

Столичные росгвардейцы задержали мужчину, подозреваемого в грабеже

Начальник Главного управления вневедомственной охраны Росгвардии вручил ключи от автомобиля многодетному отцу-росгвардейцу

Более 40 тысяч семей в Москве и области получают ежемесячные выплаты из средств материнского капитала


«Норникель» внедрил решения на базе ИИ почти на всех производственных площадках

Россиян предупредили, что боль в глазах и в пояснице может быть симптомом лихорадки Западного Нила, которую разносят комары

После появления «New Москва» на этом райском острове Богов, Россия открывает там Генеральное Консульство: русских так много, что надо их пересчитать

Blankspot: Арест Игбала Абилова очередное преступление бакинского диктатора Алиева. После войны в Нагорном Карабахе положение талышей в Азербайджане ухудшилось


IWF signs off “state-of-the-art” training facilities for the Paris 2024 Olympics

Why you should buy physical copies of your favorite books

Kamala Harris’s Record on Israel Raises Questions About Support for Jewish State if Elected US President

Who is Ghetts and what character does the rapper play in Supacell?


Свечение Жеребцовой горы...

Военные следователи провели рейд по бывшим мигрантам в Феодосии

В Екатеринбурге задержали водителя грузовика, в столкновении с которым погибли четыре человека

Филиал № 4 ОСФР по Москве и Московской области информирует: Родители 240,5 тыс. детей в Московской области получают единое пособие


Приключение-головоломка Arranger вышла на смартфоны и PC

Гайд по регистрации, установке и входу в Throne and Liberty для игроков из России и СНГ

Activision secretly experimented on 50% of Call of Duty players by 'decreasing' skill-based matchmaking, and determined players like SBMM even if they don't know it

Warner Bros acquires MultiVersus devs as it shifts focus to free-to-play



Чемпионаты Росгвардии по служебному биатлону и легкоатлетическому кроссу завершились во Владимире

«Норникель» внедрил решения на базе ИИ почти на всех производственных площадках

Калинка моя: автокросс в Калининце

Московское «Торпедо» обыграло «Енисей» в гостевом матче Первой лиги




Псковские музыканты выпустили песню «Россия начинается здесь»

Филиал № 4 ОСФР по Москве и Московской области информирует: С 1 августа Соцфонд увеличит страховые пенсии россиян

Столичные росгвардейцы задержали мужчину, подозреваемого в грабеже

Филиал № 4 ОСФР по Москве и Московской области информирует: Более 12 тысяч жителей Москвы и Московской области получают повышенную пенсию за работу в сельском хозяйстве


Сергунина: Овощи и фрукты пользуются наибольшим спросом на столичных ярмарках выходного дня

Бассейн «Бригантина» в Мытищах откроют после реконструкции 1 августа

Мероприятие для молодых мам прошло в центре «Импульс» в Мытищах

Капитальный ремонт более 30 зданий с дымоходами проведут в этом году


Елена Веснина показала свой номер в Олимпийской деревне: видео

Теннисистка Веснина показала свою форму на Олимпийские игры в Париже

Россиянка Мирра Андреева завоевала первый титул WTA в карьере

Аванесян сыграет с Андреевой в финале турнира WTA в Румынии


Капитальный ремонт более 30 зданий с дымоходами проведут в этом году

Сергунина: Овощи и фрукты пользуются наибольшим спросом на столичных ярмарках выходного дня

Мероприятие для молодых мам прошло в центре «Импульс» в Мытищах

В Сириусе открылся проект Дениса Мацуева Crescendo


Музыкальные новости

И.о. главы нижегородского «Теплоэнерго» назначен Сергей Прокофьев

Обложка песни. Обложки альбомов песен. Сделать обложку для песни.

Глава Следкома Александр Бастрыкин и дончанин Игорь Дзреев поздравили с днем рождения Мирей Матье

Бар-лекторий "Фогель" в Петербурге прекратил работу спустя 12 минут после открытия



«Норникель» внедрил решения на базе ИИ почти на всех производственных площадках

Чемпионаты Росгвардии по служебному биатлону и легкоатлетическому кроссу завершились во Владимире

Там, где Клин шумит: куда отправиться в короткое путешествие недалеко от Москвы

Первенство Московской области до 17 лет, Пер-во г.Люберцы на призы ЛФТ до 13 лет


Владимир Путин включил Айсена Николаева в новый состав президиума Госсовета РФ

Начальник Главного управления вневедомственной охраны Росгвардии вручил ключи от автомобиля многодетному отцу-росгвардейцу

Более 40 тысяч семей в Москве и области получают ежемесячные выплаты из средств материнского капитала

A Google Doodle animator is my new favorite Elden Ring lore theorist thanks to this cartoon retelling of Shadow of the Erdtree set to a Taylor Swift song


Калинка моя: автокросс в Калининце

Jetour представил в России новый кроссовер X50 за 2 млн рублей

СК: Серебряков частично признал вину и рассказал о подготовке покушения

Покорение новых высот – чип тюнинг от GAN


Эрдоган стал спешить на встречу с Асадом

Штаб-квартиру Роскосмоса предложили разместить в Амурской области

Остроумный ответ Путина на провокационный вопрос сорвал аплодисменты


Денис Проценко, Дарья Повереннова и Алексей Немов — о привычках, которые помогают им сохранять здоровье




Стопроцентная эффективность: что известно о препарате от ВИЧ-инфекции «Ленакапавир»

Сотрудники фитнес-клуба в Москве случайно залили в канистру с хлором ядовитый газ

Врачи провели уникальную операцию и извлекли пулю из брюшной стенки новорожденного

Родившегося с пулей в животе ребенка спасли врачи в Подмосковье


"Победить невозможно". В Киеве заявили о большой проблеме из-за Зеленского

"Часть дипломатической торговли": Политолог объяснил слова Подоляка об отказе от мира с Россией


Московское «Торпедо» обыграло «Енисей» в гостевом матче Первой лиги

ЦСКА обыграл "Пари НН" во втором туре Российской премьер-лиги

Чемпионаты Росгвардии по служебному биатлону и легкоатлетическому кроссу завершились во Владимире

Калинка моя: автокросс в Калининце




Собянин рассказал о благоустройстве парков в Москве

Собянин поздравил работников торговли с праздником

Собянин: В «Коломенском» будет создано уникальное современное пространство

Мэр Москвы поздравил сотрудников центров госуслуг с профессиональным праздником


Из-за глобального потепления в Москве появились новые животные

Жители Балашихи помогут сделать родной город чище

Прибыли с юга: какие животные появились в Москве из-за глобального потепления

Лужнецкую набережную благоустроят


Бассейн «Бригантина» в Мытищах откроют после реконструкции 1 августа

Международные морские перевозки

Глава Подольска посетил погранично-патрульный корабль

Сергунина: Овощи и фрукты пользуются наибольшим спросом на столичных ярмарках выходного дня


Погиб глава архангельской пожарной охраны Димитрий Охрименко

В Поморье стартовал двенадцатый «Дирекцион-Норд»

ТСД SAOTRON RT41 GUN: практичный, производительный, надёжный

Фестиваль военных духовых оркестров одновременно открылся в трех городах Поморья


Выставка исторической памяти «В гости к нашим далеким предкам» ко Дню Крещения Руси и Дню памяти равноапостольного Великого князя Владимира

К Международному дню тигра саранская телемачта «переоденется» в редкого хищника

Выставка-признание «Человек. Писатель. Актер», к 95-летию со дня рождения В. М. Шукшина, писателя, кинорежиссера, сценариста, актера

Штаб «Все для фронта, все для победы» отправил в зону СВО очередной гуманитарный груз


Псковские музыканты выпустили песню «Россия начинается здесь»

Памятная акция в честь советских воинов состоялась в Белостоке

В Сириусе открылся проект Дениса Мацуева Crescendo

Бассейн «Бригантина» в Мытищах откроют после реконструкции 1 августа












Спорт в России и мире

Новости спорта


Новости тенниса
ATP

Рублёв пробился в полуфинал турнира ATP в Умаге






Шепот призраков из Камбоджи услышат в России осенью (РУССКИЙ ТРЕЙЛЕР)

Международные морские перевозки

Сергей Безруков рассказал в Пятигорске о конкурсе «Парус» к юбилею Лермонтова

Российские военные взяли под контроль село Лозоватское в ДНР