科羅拉多大學(xué)博爾德分校（UC Boulder）最新研究揭示了動(dòng)物身上斑點(diǎn)和條紋“不完美之美”的成因，為科學(xué)家破解自然界復(fù)雜皮膚花紋提供重要理論依據(jù)，并有望推動(dòng)可自適應(yīng)、變色材料的開發(fā)。

長(zhǎng)期以來，斑點(diǎn)和條紋在自然界中具有多種功能，但這些精美圖案究竟如何形成，始終困擾著科學(xué)家。此次，研究團(tuán)隊(duì)首次將數(shù)學(xué)模擬與真實(shí)生物過程結(jié)合，揭示了這些看似規(guī)則卻總帶有細(xì)微變化的天然花紋如何生成。

項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、化學(xué)與生物工程系的Ankur Gupta指出，“自然界處處都是不完美。我們提出了一種簡(jiǎn)單理論，解釋細(xì)胞如何聚集并創(chuàng)造出多樣化的斑紋變化。”

早在2023年，該團(tuán)隊(duì)就提出基于圖靈反應(yīng)-擴(kuò)散模型的新理論，并引入‘?dāng)U散泳動(dòng)’（diffusiophoresis）物理過程，用于解釋細(xì)胞或顆粒如何沿濃度梯度遷移。這一突破為解釋熱帶魚、蛇類等清晰花紋的形成提供了數(shù)學(xué)依據(jù)。然而，早期模型更像物理仿真，尚未完全模擬真實(shí)生物組織與色素細(xì)胞的行為，也無法解釋自然界中花紋并非“完美復(fù)制”。

最新模型進(jìn)一步完善，將細(xì)胞具象為有具體大小的個(gè)體，模擬它們?cè)诮M織間的移動(dòng)和分布。新算法生成的圖案更加貼近現(xiàn)實(shí)動(dòng)物，呈現(xiàn)出具有自然“瑕疵”、豐富層次的花紋。例如，色素細(xì)胞不會(huì)靜止不動(dòng)，而是會(huì)移動(dòng)、分裂，并對(duì)化學(xué)梯度做出反應(yīng)；此外，動(dòng)物的真實(shí)體型也非規(guī)則平面，每一處彎曲與褶皺都會(huì)影響化學(xué)物質(zhì)分布和斑紋走向。這些生物和物理機(jī)制的綜合，成就了科學(xué)家所說的“美麗的不完美”。

Gupta表示，“只需要給細(xì)胞賦予尺寸，便能捕捉自然界的這些瑕疵與質(zhì)感?！毙履Ｐ蜑榻忉屪匀粓D案有序卻又充滿個(gè)性的現(xiàn)象提供了新的答案，并可能啟發(fā)未來生物材料及智能表面設(shè)計(jì)的新思路。研究團(tuán)隊(duì)未來希望模擬更復(fù)雜的細(xì)胞和化學(xué)物質(zhì)相互作用，進(jìn)一步提升仿真效果。

Gupta補(bǔ)充道，“我們正從不完美的自然系統(tǒng)中汲取靈感，希望未來能將這些特質(zhì)用于新型功能材料的研發(fā)?！痹撗芯恳寻l(fā)表在期刊《Matter》上。