Pletter, striber, net – de mønstre, der pryder dyr, synes at tale naturens universelle sprog.
Fra zebraernes sorte og hvide striber og leopardernes pletter til de geometriske mosaikker på tropiske fisks hud – alle disse mønstre er ikke tilfældige. I årtier har biologer, fysikere og matematikere forsøgt at besvare et af de smukkeste spørgsmål inden for biologien: hvorfor tegner naturen på denne måde?
Og måske er menneskeheden for første gang kommet tættere på at løse mysteriet.
En ny undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Matter har kombineret de klassiske matematiske ideer fra Alan Turing med moderne modeller for celledynamik — og vist, hvordan regelmæssighed opstår ud af kaos.
Turing og skønhedens oprindelse
Alan Turing, den legendariske matematiker og fader til datalogien, fremsatte i 1952 en teori, der forklarer, hvordan mønstre opstår i biologiske systemer.
Han foreslog, at celler udskiller reaktive diffusive kemikalier – morfogener – som interagerer med hinanden, forstærker nogle processer og undertrykker andre.
Denne delikate balance resulterer i periodiske strukturer – pletter, bølger eller striber.
Et eksempel på en sådan interaktion er kaffe med mælk: Når væsken blandes ujævnt, opstår der bløde bølger og krøller – de samme principper gælder for levende hud, kun på celleniveau.
Men naturen er ikke et laboratoriebeholder. I levende organismer forstyrres Turings ideelle symmetrier, og det er disse ufuldkommenheder, der skaber realisme.
»Vores arbejde bygger bro mellem idealiserede modeller og den uordnede skønhed i virkelige systemer,« skriver forfatterne af undersøgelsen.
Når kaos bliver lov: nye livets ligninger
Forskere fra University of Colorado, ledet af Ankur Gupta, har suppleret Turings model med en ny mekanisme — diffusiophoresis.
Dette er en proces, hvor celler ikke blot reagerer passivt på kemiske gradienter, men bevæger sig og »trækker« andre partikler efter sig, hvilket skaber strømme, der ligner strømme i en væske.
De første simuleringer gav alt for »perfekte« resultater, som om naturens hud var skabt af en maskine. Derefter tilføjede forskerne prikken over i’et: de gjorde cellestørrelserne heterogene.
Pludselig kom billedet til live.
Mønstrene blev ujævne med en let kornethed, ligesom hos virkelige dyr.
Således dukkede realistiske kopier af de sekskantede mønstre hos tropiske fisk, plettede firben og stribede zebraer op på computerskærmene.
»Vi er i stand til at gengive naturlige mønstre med slående lighed,« rapporterede teamet.
Hvorfor ufuldkommenhed er nøglen til skønhed
Forskernes vigtigste konklusion lyder næsten filosofisk: naturen stræber ikke efter perfektion.
Den skaber mønstre, men lader plads til tilfældigheder. Variationer i cellestørrelse, udsving i stofkoncentrationer, endda mikrobevægelser i væv under embryonisk vækst — alt dette forvandler strenge matematiske formler til levende billeder.
Derfor har ingen to zebraer eller leoparder det samme mønster. Hver linje har en »signatur af tilfældighed«, der garanterer individualitet – og overlevelse.
Fra fisk til zebraer: den universelle kode for levende mønstre
Den model, som Guptas team har skabt, gengiver mange naturlige motiver:
- sekskantede gittermønstre hos blæksprutter – små havfisk med mosaiklignende mønstre,
- bølgede striber hos tropiske slanger,
- prikkede mønstre hos firben og padder,
- sorte og hvide striber hos zebraer.
Hvert af disse mønstre er skabt ud fra det samme princip – samspillet mellem aktivatorer og hæmmere, forstærket af tilfældigheder.
Zebraer, fluer og visuelle gåder
Hvorfor er zebraer ikke ensfarvede?
Forskere har fremsat hypoteser i årtier, men der findes ikke ét entydigt svar. Blandt de populære teorier er:
- camouflage i savannens græs,
- visuel desorientering af rovdyr,
- regulering af kropstemperaturen (forskellige farver opvarmes forskelligt),
- beskyttelse mod tsetsefluer, som afskrækkes af det kontrastrige mønster,
- sociale signaler – zebraer genkender hinanden på deres individuelle mønstre.
På trods af omfattende forskning er de fleste hypoteser stadig ikke bevist. Det er sandsynligt, at striberne har flere funktioner på én gang – æstetik er sekundært her, biologi er multifunktionelt.
Biomimikri: hvordan videnskaben lærer af naturen
At forstå mekanismerne bag mønsterdannelse åbner op for fantastiske muligheder.
Materialeteknikere vil kunne skabe belægninger, der skifter farve og tekstur – ligesom kamæleonhud eller fiskeskæl.
Biomedicinske ingeniører vil kunne levere lægemidler til kroppen mere præcist ved hjælp af lignende principper for kemiske gradienter.
Robotteknikere og designere vil kunne skabe adaptive overflader, der efterligner levende væv.
»Vi henter inspiration fra naturens ufuldkomne skønhed og håber at kunne bruge disse ufuldkommenheder til at skabe nye typer funktionalitet,« siger Ankur Gupta.
Fra formel til filosofi
Turing skrev engang, at »matematik er kunsten at forklare skønhed med tal.«
Moderne biofysikere har vist, at livet er kunsten at forklare skønhed med kaos.
Hvert plet, hver stribe på et dyrs krop er ikke bare pigment. Det er resultatet af en dans mellem kemi, fysik og tid.
Og måske er det i denne ufuldkomne symmetri, at naturens vigtigste hemmelighed er skjult — den er levende, fordi den er ufuldkommen.
FAQ
Hvad er Turing-modellen?
Det er et matematisk system, der beskriver interaktionen mellem stoffer, der forårsager fremkomsten af periodiske strukturer (mønstre) i levende organismer.
Hvorfor tilføjede forskerne »ufuldkommenheder« til modellen?
Fordi celler i naturen har forskellige størrelser og bevæger sig ujævnt. Dette gør mønstrene realistiske.
Kan disse principper anvendes i teknologi?
Ja, i skabelsen af »smarte« materialer, medicinske lægemiddelafgivelsessystemer og biomimetiske overflader.
Følger alle mønstre den samme model?
De fleste gør, men lokale faktorer (genetik, temperatur, lys) påvirker også mønstrenes form og tæthed.
Hvorfor har en zebra striber og ikke pletter?
Alt bestemmes af modellens parametre: pigmentdiffusionens hastighed, hæmningens styrke og hudens vækstretning. En lille ændring – og zebraen ville have pletter.
