Strepen en vlekken: hoe ontwikkelen organismen zulke ingewikkelde patronen als alles zijn oorsprong vindt in een klompje cellen? ©Productie Perig/Shutterstock.com

Van vlekken op luipaarden tot strepen op zebra’s tot zeshoeken op koffervis, de natuur creëert een bijna oneindige reeks oogverblindende patronen en verbluffende kleuren. Maar een volledige verklaring voor hoe deze ontwerpen ontstaan ​​is tot nu toe ongrijpbaar gebleven.

Onlangs in een artikel gepubliceerd op 8 november 2023 in het tijdschrift Wetenschap vooruitgang, ingenieurs van de Universiteit van Colorado Boulder hebben aangetoond dat hetzelfde fysieke proces dat helpt bij het verwijderen van vuil uit wasgoed een rol zou kunnen spelen in de manier waarop kleurrijke, scherpe patronen zich ontwikkelen op luipaarden, tropische vissen, zebra’s en andere wezens.

En op termijn zou dat kunnen helpen bij de vooruitgang van hightechmaterialen en nieuwe medicijnen.

Zebrastrepen worden van alles genoemd: camouflage om grote roofdieren te verwarren, vliegdeflectoren, identiteitssignalen naar andere zebra’s en een soort draagbare airconditioning. ©Ondrej Prosicky/Shutterstock.com

Verspreiding: vage contouren

Wetenschappers zeggen dat veel biologische vragen in wezen dezelfde zijn: hoe ontwikkelen organismen ingewikkelde patronen en vormen als alles begint vanuit een bolvormige klomp cellen?

Eerder hebben biologen aangetoond dat veel dieren zijn geëvolueerd met vachtpatronen die companions aantrekken of verzorgen camoufleren. Hoewel genen patrooninformatie coderen, zoals de kleur van de vlekken van een luipaard, kan genetica alleen niet verklaren waar de vlekken zich precies zullen ontwikkelen.

In 1952, voordat biologen de dubbele helixstructuur van DNA ontdekten, Alan Turing, de wiskundige die de moderne laptop heeft uitgevonden, stelde een gedurfde theorie voor over hoe dieren aan hun patronen komen.

Binnen het bladerdak zorgen de gevlekte jassen van luipaarden voor camouflage en helpen ze hen te beschermen tegen roofdieren en aaseters die hun prooi willen stelen. ©Mark Sheridan-Johnson/Shutterstock.com

Turing veronderstelde dat naarmate weefsels zich ontwikkelen, ze chemische agentia produceren. Deze middelen diffunderen door weefsel in een proces dat lijkt op het toevoegen van melk aan koffie. Sommige middelen reageren met elkaar en vormen vlekken. Anderen remmen de verspreiding en reactie van de middelen en vormen ruimtes tussen de vlekken. De theorie van Turing suggereert dat dit in plaats van complexe genetische processen is eenvoudig reactie-diffusiemodel zou voldoende kunnen zijn om de basisprincipes van biologische patroonvorming te verklaren.

Maar, zo redeneren de onderzoekers van Boulder van de Universiteit van Colorado, hoewel het mechanisme van Turing patronen kan produceren, levert diffusie geen scherpe patronen op zoals die gevonden worden bij luipaarden en zebra’s. Wanneer melk bijvoorbeeld in koffie diffundeert, stroomt deze in alle richtingen met een vage omtrek.

Diffusioforese: scherpe randen

Dat was het second waarop Benjamin Alessio, de eerste auteur van het artikel van de College of Colorado Boulder, een bezoek bracht aan de Berkenaquarium in San Diego, Californië. Terwijl hij naar een sierlijke koffervis keek, raakte hij onder de indruk van de scherpte van het ingewikkelde patroon van het dier: een paarse stip omgeven door een duidelijke, zeshoekige, gele omtrek. Turings theorie alleen zou de scherpe lijnen van deze zeshoeken niet kunnen verklaren, dacht hij. Maar het patroon deed Alessio denken aan computersimulaties die hij had uitgevoerd, waarbij deeltjes scherp gedefinieerde strepen vormen. Alessio vroeg zich af of het proces bekend staat als diffusieforese speelt een rol bij de patroonvorming in de natuur.

De sierlijke koffervis met opvallend patroon heeft geen gebrek aan particulars als het gaat om zijn zeshoekige vlekken en scherpe strepen. De ingewikkelde markeringen zijn zo scherp dat ingenieurs van de Universiteit van Colorado in Boulder zich afvroegen hoe de vis dit kenmerkende uiterlijk kreeg. ©Mohammed_Ibrahim7/Shutterstock.com

Diffusioforese vindt plaats wanneer een molecuul door vloeistof beweegt als reactie op veranderingen, zoals concentratieverschillen, en versnelt de beweging van andere soorten moleculen in dezelfde omgeving. Hoewel het voor niet-wetenschappers misschien een obscuur idea lijkt, is het de manier waarop wasgoed schoon wordt.

Een current onderzoek toonde aan dat het spoelen van met zeep doordrenkte kleding in schoon water het vuil sneller verwijdert dan het spoelen van met zeep doordrenkte kleding in een sopje. Dit komt omdat wanneer zeep uit de stof diffundeert in water met een lagere zeepconcentratie, de beweging van zeepmoleculen het vuil naar buiten trekt. Wanneer de kleding in een sopje wordt gedaan, zorgt het ontbreken van een verschil in zeepconcentratie ervoor dat het vuil op zijn plaats blijft.

De beweging van moleculen tijdens diffusioforese volgt, zoals Alessio in zijn simulaties observeerde, altijd een duidelijk traject en geeft aanleiding tot patronen met scherpe contouren.

Okapi’s komen oorspronkelijk uit de Democratische Republiek Congo en geven de voorkeur aan zeer dichte, tropische regenwouden. De markeringen van een okapi worden soms ‘volg-mij-strepen’ genoemd, omdat het opvallende patroon het voor een kalf gemakkelijk maakt om zijn moeder te volgen in de donkere omgeving. ©Juan Carlos Munoz/Shutterstock.com

Om te zien of diffusioforese een rol kan spelen bij het geven van levendige patronen aan dieren, voerden Alessio en zijn workforce een ​​simulatie uit van het paars-gele, zeshoekige patroon dat te zien is op de sierlijke huid van koffervissen, waarbij ze alleen de Turing-vergelijkingen gebruikten. De laptop produceerde een foto van wazige, paarse stippen met een vaag zwarte omtrek.

Vervolgens hebben de onderzoekers de vergelijkingen aangepast om difusioforese op te nemen. Het resultaat bleek veel meer te lijken op het heldere, scherpe, tweekleurige, zeshoekige patroon dat je op de koffervis ziet.

De theorie van het workforce suggereert dat wanneer chemische middelen door weefsel diffunderen, zoals Turing beschreef, ze ook pigmentproducerende cellen met zich meeslepen through diffusieforese, web zoals zeep vuil uit wasgoed trekt. Deze pigmentcellen vormen vlekken en strepen met een veel scherpere omtrek.

De vlekken van een reekalf, met een diameter van een kwart tot een halve inch, zorgen ervoor dat de weerloze jongen opgaan in de zonovergoten bosbodem onder bewegende stengels en takken. De vlekken van het reekalf breken de omtrek ervan, waardoor het verborgen blijft. ©Nilesh Rathod/Shutterstock.com

Ontwikkeling: van patronen tot baanbrekende producten

Tientallen jaren nadat Turing zijn baanbrekende theorie had voorgesteld, hebben wetenschappers het mechanisme gebruikt om vele andere patronen in de biologie te verklaren, zoals de rangschikking van haarzakjes bij muizen en de ribbels in de daken van de monden van zoogdieren.

Maar diffusioforese is mogelijk ondergewaardeerd op het gebied van patroonvorming. De wetenschappers van de Universiteit van Colorado in Boulder hopen dat hun studie – en nog meer onderzoek dat momenteel gaande is – niet alleen het begrip zal verbeteren van hoe patronen in de natuur ontstaan, maar ook anderen zal inspireren om innovatieve materialen en baanbrekende medicijnen te ontwikkelen. Het zou ook een mogelijkheid kunnen bieden om de rol van diffusioforese in andere biologische processen, zoals embryovorming en tumorvorming, te onderzoeken.

Dromen: verlangen naar vlekken en verlangen naar krijtstrepen

Vlekken en strepen in de veren, vinnen en vacht van de natuur zijn verbluffend mooi en functioneel advanced. Giraffen kunnen elkaar onderscheiden door hun verschillend gevormde vlekken, en een child okapi volgt de strepen van zijn moeder om door het bos te reizen. Herten, emoes en tijgers gebruiken de patronen op hun lichaam om zich in hun omgeving te verstoppen.

De strepen van een tijger helpen de vorm en grootte van de kat op te lossen, waardoor het dier opgaat in het hoge gras en de bomen. Dit roofdier jaagt niet in groepen, zoals een leeuw, en heeft niet de snelheid van een cheetah, dus een tijger vertrouwt op camouflage en stealth om te overleven. ©giovannifederzoni/Shutterstock.com

Ik heb vaak gewenst dat ik strepen had. Ik stel me een witte gloed voor die van mijn kin in mijn nek stroomt, of zwarte banden die zich langs mijn armen uitstrekken.

Ik ben er zeker van dat de ontwerpen die mijn lichaam versieren niet alleen mooi zullen zijn om naar te kijken, maar ook zeer handig.

Op het vinden van je ware plaatsen en natuurlijke habitats,

Snoep