Die neuesten Forschungsergebnisse der University of Colorado Boulder (UC Boulder) enthüllen die Ursache für die „unvollkommene Schönheit“ von Flecken und Streifen bei Tieren. Sie liefern Wissenschaftlern eine wichtige theoretische Grundlage zur Entschlüsselung der komplexen Hautmuster in der Natur und sollen die Entwicklung adaptiver, farbverändernder Materialien vorantreiben.

Flecken und Streifen haben in der Natur schon seit langem vielfältige Funktionen, doch die genaue Entstehung dieser exquisiten Muster hat Wissenschaftlern schon immer Rätsel aufgegeben. Diesmal kombinierte das Forscherteam erstmals mathematische Simulationen mit realen biologischen Prozessen, um aufzudecken, wie diese natürlichen Muster entstehen, die regelmäßig erscheinen, aber immer subtile Veränderungen aufweisen.

„Die Natur ist voller Unvollkommenheiten“, sagte Projektleiter Ankur Gupta vom Department of Chemical and Biological Engineering. „Wir schlagen eine einfache Theorie vor, die erklärt, wie Zellen sich zusammensetzen und vielfältige Muster erzeugen.“

Bereits im Jahr 2023 schlug das Team eine neue Theorie vor, die auf dem Turing-Reaktions-Diffusions-Modell basiert, und führte den physikalischen Prozess der „Diffusiophorese“ ein, um zu erklären, wie Zellen oder Partikel entlang von Konzentrationsgradienten wandern. Dieser Durchbruch liefert eine mathematische Grundlage zur Erklärung der Bildung klarer Muster bei tropischen Fischen, Schlangen und anderen Arten. Frühe Modelle ähneln jedoch eher physikalischen Simulationen und haben das Verhalten realer biologischer Gewebe und Pigmentzellen noch nicht vollständig simuliert. Sie können auch nicht erklären, dass Muster in der Natur keine „perfekten Nachbildungen“ sind.

Das neueste Modell wird weiter verbessert, indem es Zellen als Individuen spezifischer Größe darstellt und ihre Bewegung und Verteilung im Gewebe simuliert. Die vom neuen Algorithmus generierten Muster ähneln echten Tieren und zeigen Muster mit natürlichen „Unvollkommenheiten“ und reichhaltigen Schichten. Beispielsweise bleiben Pigmentzellen nicht stationär, sondern bewegen sich, teilen sich und reagieren auf chemische Gradienten. Darüber hinaus ist die wahre Körperform des Tieres keine regelmäßige Ebene, und jede Biegung und Falte beeinflusst die Verteilung der Chemikalien und die Richtung seiner Markierungen. Die Kombination dieser biologischen und physikalischen Mechanismen führt zu dem, was Wissenschaftler als „schöne Unvollkommenheit“ bezeichnen.

Gupta sagte: „Man muss den Zellen nur Dimensionen geben, um diese Fehler und Texturen in der Natur zu erfassen.“ Das neue Modell liefert neue Antworten, um das Phänomen der Ordnung und doch Persönlichkeit in natürlichen Mustern zu erklären, und könnte neue Ideen für zukünftige Biomaterialien und intelligentes Oberflächendesign inspirieren. Das Forschungsteam hofft, in Zukunft komplexere Wechselwirkungen zwischen Zellen und Chemikalien simulieren zu können, um den Simulationseffekt weiter zu verbessern.

Gupta fügte hinzu: „Wir lassen uns von unvollkommenen natürlichen Systemen inspirieren und hoffen, diese Qualitäten in Zukunft für die Entwicklung neuer Funktionsmaterialien nutzen zu können.“ Die Forschung wurde in der Zeitschrift Matter veröffentlicht.