雄性麗牛角魚。左下：魚的天然六邊形圖案特寫；下中：基于圖靈反應擴散理論的魚紋模擬；右下：擴散電泳增強反應擴散模擬。圖片來源：BIRCH水族館/斯克里普斯海洋學研究所/科羅拉多大學博爾德分校
科技日報北京11月9日電 （記者張夢然）大自然并不缺乏圖案。比如人們熟悉的豹子斑點、斑馬條紋，以及麗牛角魚的六邊形。但這些圖案如何形成的？一直以來都沒有完整的解釋。現在，美國科羅拉多大學博爾德分校的工程師證明，幫助去除衣物污垢的物理過程，也在熱帶魚獲得彩色條紋和斑點的過程中發揮作用。該研究結果發表在8日的《科學進展》雜志上。
1952年，數學家艾倫·圖靈曾提出一個關于動物如何獲得自身圖案的大膽理論。他假設，隨著組織的發育，會產生化學物質，這些物質通過組織擴散，其過程類似于將牛奶添加到咖啡中。
但是，圖靈機制雖然能產生圖案，卻不會擴散出清晰的圖案——當牛奶擴散到咖啡中時，它會以模糊的輪廓向各個方向流動。
以麗牛角魚身上的圖案為例，這些圖案非常復雜，具有明顯的六邊形黃色輪廓。研究人員認為，僅靠圖靈理論無法解釋，為此他們開始探索擴散電泳過程是否在自然圖案的形成中發揮著作用。
當分子響應濃度差異等變化而在液體中移動時，就會發生擴散電泳，并加速同一環境中其他類型分子的移動。這實際上就是衣物如何變干凈的方法。
用清水漂洗肥皂浸泡的衣服，比用肥皂水漂洗肥皂浸泡的衣服能更快地去除污垢，這是因為肥皂分子的運動會吸出污垢。當衣服放入肥皂水中時，肥皂濃度沒有差異，污垢會留在原處。
此次研究人員使用圖靈方程對麗牛角魚皮膚進行了模擬。計算機生成了帶有模糊紫色點和微弱黑色輪廓的圖案，然后該團隊修改了方程納入擴散電泳模式，結果顯示，生成的圖案與魚身上看到的明亮而銳利的雙色六邊形圖案非常相似。
這意味著化學物質像圖靈所描述的那樣通過組織擴散時，它們也會通過擴散電泳拖曳產生色素細胞，就像肥皂從衣物中去除污垢一樣，這些色素細胞形成輪廓更清晰的斑點和條紋。
這項研究不僅具有在工程和材料科學領域的應用潛力，還為研究擴散電泳在胚胎發育和腫瘤形成等生物過程中的作用提供了借鑒。
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