Почему у одних животных есть пятна, а у других - полосы? Вот как это объясняет наука

Не зря модельеры обращаются за вдохновением к животным принтам. Эти существа разработали ошеломляющее разнообразие узоров: полоски, пятна, ромбы, V-образные шевроны, шестиугольники и даже почти лабиринтные фигуры. Одни, как павлины, хотят быть заметными, чтобы привлечь пару или отпугнуть соперника или хищника. Другим, как тиграм или патасам, нужно слиться с толпой, чтобы подкрасться к добыче или самим не стать обедом. Если вы купите gato abisinio, то сможете лично наблюдать грацию хищника у себя дома. «Некоторые узоры возникают просто или случайно, но другие развиваются благодаря сложному и точному взаимодействию систем, которые их генерируют. Красота в стороне, но хитросплетения этих систем вдохновляют ученых, которые пытаются выяснить, как тигр получил свои полосы, гепард - пятна и многое другое. «Млекопитающие, такие как кошки и собаки, могут иметь белые животы. Они получают их прямым путем: во время развития эмбриона клетки, вырабатывающие пигмент, зарождаются вдоль места будущего позвоночника и мигрируют вниз и вокруг живота. Иногда, правда, они не доходят до конца. Но полоски белки и тигра, крапинки рыбы и курицы и многие другие славные черты животных переданы с изысканной точностью. Удивительный подвиг самоорганизации - однородная поверхность приобретает узор. «Человеком, который открыл, как это происходит, был Алан Тьюринг. Возможно, вы знаете его как математика XX века, который взломал нацистские коды во время Второй мировой войны и разработал первые концепции искусственного интеллекта. Тьюринг также использовал свои математические способности, чтобы понять, как в развивающемся эмбрионе могут появляться регулярные признаки. С тех пор ученые применяют его уравнения к развитию закономерностей. И оказалось, что он был прав: сегодня ученые, изучающие паттерны животных, по-прежнему находят идеи Тьюринга удивительно эффективными - особенно в сочетании с другими факторами. «Создатель блобов» - это самая простая версия паттерна Тьюринга. В нем участвуют два ключевых вещества, или морфогены, как он их называл, которые могут перемещаться по развивающейся коже. Одно вещество, активатор, включает и активирует другое вещество, ингибитор. Ингибитор блокирует активатор. «Сама по себе эта система мало что делает. Но если вещества распространяются по тканям с разной скоростью и вносятся случайные колебания, то на шерсти, перьях или чешуе может образоваться узор из устойчивых пятен». Допустим, активатор случайно зажигается в разных местах; он распространяется от своего источника, активируя по мере движения все большее количество себя и ингибитора. Если ингибитор распространяется быстрее, чем активатор, это может привести к образованию равномерно расположенных стабильных участков активатора, окруженных участками ингибитора. «Изменение параметров системы, таких как скорость генерации или перемещения морфогенов, размер и форма пространства, в котором они перемещаются, может изменить конечный рисунок. Например, хвост гепарда длинный и тонкий; в этом узком пространстве пятна собираются в полосы. «Простой механизм может создавать удивительно разнообразные и богатые узоры», - говорит Сейта Миядзава, биолог-эволюционист из Университета Осаки (Япония). Но иногда одних идей Тьюринга недостаточно для объяснения великолепных природных узоров. Ученым приходится привлекать дополнительных игроков. Вместо простых диффузионных химических веществ в дело могут вступать сами клетки. А животным могут понадобиться дополнительные уловки для транспортировки морфогенов по тканям или для создания четких, определенных узоров. Ученые также наблюдают головокружительно сложные случаи, когда паттерны Тьюринга перекрываются с дополнительными механизмами паттернинга или включают взаимодействие более чем двух морфогенов. «У зебрафиш, любимой рабочей лошадки биологов, занимающихся вопросами развития, есть четко очерченные черно-желтые полосы от головы до хвостового плавника. В данном случае не столько диффундирующие вещества создают этот узор, сколько более сложные взаимодействия между самими пигментными клетками. Клетки бывают двух основных типов: черные меланофоры и желтые ксантофоры. На близком расстоянии они убивают или отталкивают друг друга, и это соперничество разделяет их на четкие полосы вдоль тела рыбы. Но в то же время черные клетки погибнут, если не получат какое-то пока неизвестное вещество от желтых клеток. Согласно теории Тьюринга, вещество, необходимое черным клеткам от желтых, будет поступать к ним путем диффузии, но есть проблема, говорит Ченг-Минг Чуонг, биолог из Университета Южной Калифорнии. Чтобы попасть в черные клетки, вещество из желтых клеток должно преодолеть огромные молекулярные расстояния - длину около 20 клеток. Это слишком много, чтобы диффузия была эффективной. «Ученые нашли решение для зебрафиш в длинных, тонких отростках, которые черные клетки протягивают в желтые области, как руки, тянущиеся за необходимым веществом. Оказывается, когда полосы только формируются, развивающиеся желтые клетки также делают отростки в черных клетках, создавая еще один загадочный фактор, который толкает черные клетки к формированию полос. «Все это хорошо, но объясняет только то, как клетки минимизируют расстояния, которые должны преодолеть эти особые вещества, но не то, как продукты попадают из одной клетки в другую». «Эта странная зебрафиша предложила ответ. Это мутантная версия рыбы, которую называют «леопардовой», потому что у нее вместо полос - пятна. Ген, который нарушен у мутанта, участвует в создании крошечных каналов, называемых коммуникационными соединениями, между клетками. Поэтому возможно, что рыбе нужны не только длинные клеточные отростки, но и эти соединения, чтобы перемещать вещества, которые приводят к появлению полос. «Некоторые птицы, похоже, также используют тонкие клеточные отростки и сообщающиеся соединения в своих узорах». Чуонг и его коллеги обнаружили, что обе эти особенности задействованы в полосах от головы до хвоста у японского перепела. Когда исследователи выращивали перепелиную кожу на лабораторной пластине, образовывались видимые желтые и черные полосы, но желтые полосы становились очень тонкими, когда стыки закрывали химическим ингибитором. «Коммуникативные стыки также способствуют сложной мутации полосатости перьев у кур, известной как меланотизм». Лейф Андерссон, генетик из Уппсальского университета в Швеции и соавтор исследования курицы, считает, что может существовать какой-то неизвестный морфоген, который проходит - или не проходит - через сообщающиеся перемычки, создавая узоры на перьях: «У витиеватого самшита с его аккуратными шестиугольниками, похоже, есть свое решение проблемы диффузии. Предположительно, если бы морфогены, управляющие его узором, диффундировали через ткани, они не смогли бы создать такие четкие, угловатые линии. Подумайте о красителе, разведенном в густой жидкости: капли разных цветов в конце концов превратились бы в размытые пятна. «Размытые узоры» - именно то, что получилось, когда инженер-химик и биолог Анкур Гупта из Университета Колорадо в Боулдере и его тогдашний научный сотрудник Бен Алессио попытались смоделировать шестиугольные узоры в компьютерной модели Тьюринга. Они не были похожи на то, что создает природа. Но ученые нашли решение в концепции, называемой диффузиофорезом, когда маленькие молекулы толкают или притягивают большие; именно так маленькие молекулы мыла сгоняют большие пятна грязи с одежды в стиральной машине. Когда исследователи добавили диффузиофорез в свои модели, узоры стали гораздо больше похожи на чешую рыбы, хотя они все еще были далеки от совершенства. «Исследователи подозревают, что какой-то маленький морфоген Тьюринга притягивает пигментные клетки рыбы на место, и что рыба также использует другие методы формирования узоров. «Ящерицы-чипоеды, встречающиеся по всему Карибскому бассейну, создали для Натали Файнер, эволюционного биолога из Лундского университета в Швеции, головоломку Тьюринга другого рода. Все самцы, похоже, носят одинаковую одежду: у них темные V-образные полосы по всей спине. Но у самок есть два стиля: V-образные шевроны, как у самцов, или узор из светлых ромбов, обрамленных более темными треугольниками. Файнер считает, что ромбы легко объясняются рисунком типа Тьюринга, когда клетки разного цвета мигрируют наружу от места, где в итоге образуется позвоночник. Но с V-образными шевронами кажется, что эти ромбы рассеиваются по направлению к хвосту. Генетика часто дает ключи к механизмам формирования узора, и Файнер обнаружил корни дизайна ящериц чипоедов в гене под названием CCDC170. Одна версия гена CCDC170 создает бриллианты, а другая - V-образные жетоны. Бриллианты доминируют, поэтому у любой самки, имеющей хотя бы одну версию бриллианта, на спине будут бриллианты. Но так уж сложилось, что в целом самки производят больше белка CCDC170, чем самцы. Поэтому даже если у самцов есть бриллиантовая версия гена, они, похоже, не могут сформировать такой узор». »В конечном итоге ящерицы чипоеды используют периодичность Тьюринга плюс дополнительный механизм: возможность расширять пигментные клетки по направлению к хвосту и создавать нечто иное. Вместо того, чтобы просто создавать узоры Тьюринга, они создают узоры Тьюринга плюс». Ученые также исследуют, каким образом узоры закладываются на ранних этапах развития существа. Во многих случаях развивающиеся животные сначала создают бесцветный предварительный узор, как линии в книжке-раскраске. Позже появляются пигментные клетки, которые заполняют цвета. Кошки могут служить прекрасным примером благодаря работе Грега Барша, генетика развития из Стэнфордского университета, и его коллег. Разведение кошек человеком привело к удивительному разнообразию их внешнего вида: полосатые и пятнистые табби, сиамские с торцевым окрасом, «меченые» абиссинцы с чередующимися полосами цвета в каждом хохолке и другие. В 2012 году, изучая мех развивающихся кошачьих, таких как домашние кошки табби и заметный пятнистый королевский гепард, исследователи начали обнаруживать элементы препаттерна. Они сообщили, что у кошачьих препаттерн формируется задолго до появления пигментных клеток: «Когда пигментные клетки наконец появляются, у млекопитающих есть только один тип. Он называется меланоцит и откладывает пигмент в клетках кожи или волос. В зависимости от факторов, таких как сигналы, получаемые меланоцитом, он может вырабатывать два типа пигмента, которые дают оттенки черно-коричневого или желто-красного. Отсутствие пигмента приводит к появлению белого цвета. «Недавно команда сделала еще один шаг вперед и выявила ген под названием Dkk4, который, по-видимому, производит ингибитор Тьюринга; он активируется в коже зародышей кошек еще до появления окраса. »Генетические исследования, проведенные у взрослых кошек с разным рисунком, показывают, что Dkk4 обычно действует для развития широких полос. Вот доказательство: дикие кошки сервалы, обитающие в Африке, имеют две нормальные копии гена Dkk4 и обладают крупными светлыми полосами и пятнами, как у табби. У кошек с одним нормальным и одним мутантным геном Dkk4, т.е. с дозой 50%, наблюдаются мелкие, многочисленные пятна. А домашние кошки с двумя нарушенными версиями Dkk4, например абиссинцы, имеют пеструю шерсть. Поэтому Барш и его коллеги предполагают, что абиссинские крапинки - это на самом деле сверхтонкие, плотно сжатые полоски табби в каждой пряди меха. «Белок, вырабатываемый Dkk4, и родственные ему белки часто работают вместе с другой группой белков, относящихся к семейству Wnt. Эта пара была связана с закономерностями Тьюринга в системе, не имеющей прямого отношения к цвету: у мышей взаимодействие между Wnts как активаторами и Dkks как ингибиторами приводит к равномерному расположению волосяных фолликулов в развивающейся коже. «Африканская полосатая мышь, похоже, также полагается на белки Wnt и Dkk, а также на других участников, чтобы очертить свои полоски, похожие на беличьи. Биолог Рикардо Малларино и его коллеги из Принстонского университета обнаружили, что прежний рисунок полосатой мыши - а также белки - является результатом наложения системы Тьюринга на что-то другое: в данном случае на простой градиент молекул, которые присутствуют в большом количестве в колонне и в меньшем количестве к животу. «Математики давно предсказали, что наложение простого градиента на рисунок Тьюринга приведет к образованию чередующихся полос плотных или редких крапинок. Представьте себе пруд с равномерно расположенными кувшинками (пятнышками), а затем бросьте в середину камень. Одиночная волна (градиент), возникающая при падении камня, создаст рябь, и большинство, но не все кувшинки, осядут в промежутках между рябью. В биологических системах, как предсказывает математика, шаблон Тьюринга, добавленный к градиенту, аналогичным образом создаст полосы с большим количеством крапинок, чередующихся с полосами с малым количеством крапинок. «В коже развивающихся африканских полосатых мышей эти кувшинки похожи на крапинки, в которых благодаря белкам Wnt появляются волосяные фолликулы. Сначала крапинки появляются на участках, которые станут светлыми полосками, а через два дня - на участках, которым суждено стать темными. Такое распределение создается не падающим камнем, а суммарным градиентом - убывающей концентрацией различных регуляторных белков Wnt от позвоночника к животу. По словам Малларино, открытие, сделанное на полосатых мышах, стало первым живым примером такого градиентного распределения, плюс модель Тьюринга, которую давно предсказывали математики: «Идеи Тьюринга сохраняют свою силу даже спустя десятилетия после того, как он их предложил. Но у него не было всей информации, и эволюция добавила сложности к его простым триггерам и ингибиторам». »Модель Тьюринга определенно важна, - говорит Ипенг Лян, биолог из Университета Вирджинии в Шарлоттсвилле. Но, добавляет он, «природа сложнее, чем мы думали». *Эта статья первоначально была опубликована в Knowable en español, некоммерческом издании, которое стремится сделать научные знания доступными для всех. Подпишитесь на рассылку Knowable en español »