摘要：用来去除脏衣物上的污垢的物理过程，也可以在解释动物身上图案的形成机制中发挥作用

作者：原理

从豹子的斑点，到斑马的条纹，再到毒蛙的色斑，自然界中充满了千变万化的图案。动物身上的这些图案可不止只是“装饰”作用，实际上还行使着各种各样的生物功能，比如温度调节、伪装、吸引配偶和发出警告信号等等。然而，科学家对于这些图案究竟是如何形成的，仍然缺乏完整的理解。

在一项于11月8日发表在《科学进展》杂志的研究中，一组研究人员证明，用来去除脏衣物上的污垢的物理过程，也可以在解释这些图案的形成机制中发挥作用。

图灵的反应-扩散机制

说到动物身上的图案，我们不得不提到一位科学家，他就是鼎鼎大名的科学家——艾伦·图灵（Alan Turing）。大多数人对图灵的印象，都停留在他对密码破译和人工智能作出的巨大贡献，但实际上他还长期从事生物数学方面的研究。1952年，他发表了一篇非常有远见的论文。在这篇论文中，他提出一个非常简洁的模型，解释了像动物身上的条纹、斑点和鳞片等斑图是如何形成的。

图灵的模型被称为反应-扩散机制，这是一个非常简洁的模型，只需要两种相互作用的试剂，一种是激活剂，另一种是抑制剂。激活剂会启动一些过程，如斑点的形成，并促进自身的产生；抑制剂可以阻止这两种作用的发生。

我们可以借用牛津大学的James Murray教授描述的一个场景，来理解图灵的理论。试想一下，在一片干草地上，有大量的蚱蜢。假如草地的几个随机点被点燃了，在没有水来抑制火焰的情况下，大火就会蔓延均匀地烧焦整片草地。但是，假如这种情况是发生在图灵机制的框架下，那么蔓延的火焰产生的热量会导致蚱蜢出汗，并产生足够的水分使周围的草地变得潮湿，就可以防止火势蔓延到潮湿的地区。通过这种方式，烧焦的区域就会被限制在有限的区域内。在这个场景中，火就是一种激活剂，而蚱蜢是一种抑制剂。

然而，图灵提出的机制虽然可以让斑图产生，但问题是，扩散并不能产生有着清晰轮廓的斑图。这就好比当我们把墨水滴入水中时，墨水会以模糊的轮廓向四面八方扩散。

与洗衣服相似的过程

为了进一步解开图灵斑图的谜题，在新研究中，科学家着重探索了一个被称为扩散电泳的现象。当液体中的分子因液体的变化（比如浓度增加或减少）而移动时，就会发生扩散电泳，这种现象会加速相同环境中的其他类型分子的移动。

事实上，在日常生活中，当你在洗衣服时，就受益于扩散电泳。假如你用清水冲洗浸泡过肥皂的衣服，以及用肥皂水冲洗浸泡过肥皂的衣服，你认为哪个方法可以更快地去除掉污垢？2018年的一项研究表明，答案是前者。这是因为当肥皂从织物中扩散到肥皂浓度较低的水中时，肥皂分子的运动可以将污垢带走；而当浸泡过肥皂的衣服放在肥皂水中时，由于缺乏浓度差异，会导致污垢留在原处。

为了搞清楚扩散电泳是否在动物的斑图形成方面也发挥了作用，研究人员对箱鲀身上的复杂而又清晰的斑图进行模拟。箱鲀的斑图是由紫色的点组成的，每个点的周围都有一个明显的六边形黄色轮廓。

研究人员先是在仅使用图灵方程的情况下，模拟了箱鲀皮肤上的紫色和黑色六边形图案。结果发现，计算机生成了一幅由模糊的紫色点和模糊的黑色轮廓组成的图像。也就是说，反应-扩散模型可以捕捉到斑图的本质，但无法重现轮廓清晰的斑图。接着，研究人员考虑了扩散电泳的作用，并对方程进行了修正。他们发现，加入了扩散电泳的反应-扩散模拟所形成的图案，与箱鲀身上看到的相似。

上图显示的是一只雄性箱鲀。左下方显示的是箱鲀身上的六边形斑图特写；下方中间的图显示的是基于图灵反应-扩散理论的模拟的斑图；右下角显示的是增加了扩散电泳的反应-扩散模拟的结果。图/The Birch Aquarium/Scripps Institution of Oceanography and BenjaminAlessio

他们的理论表明，当化学试剂在组织中扩散时，它们会通过扩散电泳拖动产生色素的细胞，就像肥皂拽走衣服上的污垢一样。这些色素细胞形成了轮廓清晰的斑点和条纹。

被低估的扩散电泳

这个新研究表明，扩散电泳在斑图形成领域可能被低估了。此外，除了动物身上的图案之外，图灵斑图实际上对胚胎发育和肿瘤形成等过程也至关重要。因此，扩散电泳可能在这些自然过程中发挥着未被充分认识但极其关键的作用。

不仅如此，了解扩散电泳在斑图形成中的作用，也有助于科学家发展出可应用于光子学、芯片实验室设备和生物技术等领域的材料。总的来说，这项关于扩散泳动在斑图形成中的作用的发现，为未来的研究提供了基础，并有可能对众多领域产生影响。

本文为科普中国·星空计划扶持作品

作者：原理

审核：叶盛 北京航空航天大学教授

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司

来源: 星空计划

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