Система, предложенная дешифровальщиком времен Второй мировой войны Аланом Тьюрингом более 60 лет назад, может объяснить структуру зубоподобной чешуи, которой обладают акулы, согласно новому исследованию.
Ученые из факультета наук о животных и растениях Университета Шеффилда обнаружили, что теория реакции-диффузии Тьюринга, широко принятая в качестве метода формирования узоров на волосах мышей и куриных перьях, применима и к чешуе акулы.
Выводы могут объяснить, как рисунок чешуи акулы изменился, чтобы уменьшить сопротивление во время плавания, тем самым экономя энергию во время движения. Ученые считают, что изучение паттернов может помочь в разработке новых материалов, вдохновленных акулами, для повышения эффективности использования энергии и транспорта.
Тьюринг, праотец компьютера, придумал систему реакции-диффузии, которая была опубликована в 1952 году, за два года до его смерти. Его уравнения описывают, как молекулярные сигналы могут взаимодействовать, образуя сложные структуры.
В статье, опубликованной сегодня (7 ноября 2018 г.) в журнале Science Advances, исследователи сравнили рисунок чешуи акулы с рисунком куриных перьев.
Они обнаружили, что те же основные гены, лежащие в основе формирования паттерна перьев, также лежат в основе развития акульей чешуи, и предполагают, что эти гены могут быть вовлечены в формирование паттерна других различных структур кожи позвоночных, таких как шипы и зубы.
Доктор Гарет Фрейзер, ранее работавший в Университете Шеффилда, а ныне работающий в Университете Флориды, сказал: «Мы начали смотреть на цыплят и на то, как у них развиваются перья. появляются эти пятна, которые со временем перерастают в перья. Мы подумали, что акула делает то же самое, и обнаружили два ряда на спинной поверхности, с которых начинается весь процесс.
Мы объединились с математиком, чтобы выяснить, что это за паттерн и можем ли мы его смоделировать. Мы обнаружили, что зубцы акульей кожи точно выстроены по паттерну с помощью набора уравнений, которые Алан Тьюринг - математик, ученый-компьютерщик и дешифровщик - придумал.
"Эти уравнения описывают, как определенные химические вещества взаимодействуют во время развития животных, и мы обнаружили, что эти уравнения объясняют формирование паттернов этих единиц."
Исследователи также продемонстрировали, как корректировка входных данных системы Тьюринга может привести к разнообразным моделям масштаба, сравнимым с теми, которые наблюдаются у современных видов акул и скатов.
Они предполагают, что естественные вариации системы Тьюринга, возможно, способствовали эволюции различных черт у этих животных, в том числе уменьшению лобового сопротивления и защитной броне.
Рори Купер, аспирант Университета Шеффилда, сказал: «Акулы принадлежат к древней группе позвоночных, давно отделившейся от большинства других челюстных позвоночных. Изучение их развития дает нам представление о том, как могли выглядеть структуры кожи. в начале эволюции позвоночных.
"Мы хотели узнать о процессах развития, которые контролируют формирование паттернов этих разнообразных структур, и, следовательно, о процессах, которые облегчают их различные функции."
Ученые использовали комбинацию методов, включая моделирование реакции-диффузии, чтобы создать симуляцию, основанную на уравнениях Тьюринга, чтобы продемонстрировать, что его система может объяснить структуру акульей чешуи при соответствующей настройке параметров.
Г-н Купер добавил: «Ученые и инженеры уже много лет пытаются создать материалы на основе акульей кожи, чтобы уменьшить сопротивление и повысить эффективность передвижения людей и транспортных средств..
Наши результаты помогают нам понять, как устроена чешуя акулы, что важно для включения их функции в снижении лобового сопротивления.
Таким образом, это исследование помогает нам понять, как эти свойства, уменьшающие сопротивление, впервые возникли у акул, и как они меняются у разных видов».
Паттерн - это один из важных аспектов, который способствует уменьшению лобового сопротивления у некоторых видов акул. Другое дело - форма отдельных чешуек. Теперь исследователи хотят изучить процессы развития, которые лежат в основе вариаций формы как внутри, так и между разными видами акул.
"Понимание того, как оба эти фактора способствуют снижению лобового сопротивления, мы надеемся, приведет к производству улучшенных, широко применимых материалов, созданных на основе акул, способных уменьшить лобовое сопротивление и сэкономить энергию", - добавил г-н Купер..