Почему несовершенство может быть ключом к закономерностям Тьюринга в природе

По сути, это своего рода нарушение симметрии. Любые два процесса, которые действуют как активатор и ингибитор, будут создавать периодические закономерности и могут быть смоделированы с помощью функции диффузии Тьюринга. Задача состоит в переходе от, по общему признанию, упрощенной модели Тьюринга к определению точных механизмов, выполняющих роль активатора и ингибитора.

Особенно сложно это сделать в биологии. По мнению авторов этой последней статьи, классический подход к механизму Тьюринга уравновешивает реакцию и диффузию, используя единый масштаб, но биологические закономерности часто включают в себя многомасштабные структуры, зерноподобные текстуры или определенные присущие несовершенства. И получающиеся в результате узоры зачастую гораздо более размыты, чем те, которые встречаются в природе.

Можно ли сказать «диффузиофероз»?

В 2023 году инженеры-биохимики UCB Анкур Гупта и Бенджамин Алессио разработали новая модель это добавило в смесь диффузиофероз. Это процесс, при котором коллоиды переносятся за счет различий в градиентах концентрации растворенных веществ — тот же процесс, при котором мыло диффундирует из белья в воду, вытягивая частицы грязи из ткани. Гупта и Алессио успешно использовали свою новую модель для имитации характерного шестиугольного рисунка (чередующегося фиолетового и черного) на богато украшенном коробочке, обитающем в Австралии, добившись гораздо более четких очертаний, чем модель, первоначально предложенная Тьюрингом.

Проблема заключалась в том, что моделирование создавало слишком идеальные модели: шестиугольники одинакового размера и формы и на одинаковом расстоянии друг от друга. Образцы животных в природе, напротив, никогда не бывают совершенно однородными. Итак, Гупта и его соавтор UCB по этой последней статье Сиамак Мирфендерески придумали, как настроить модель, чтобы получить желаемые результаты шаблонов. Все, что им нужно было сделать, это определить конкретные размеры отдельных ячеек. Например, более крупные ячейки создают более толстые контуры, а когда они группируются, они образуют более широкие узоры. А иногда клетки застревают и разрывают полоску. Их пересмотренные симуляции создали узоры и текстуры, очень похожие на те, что встречаются в природе.

«Несовершенства повсюду в природе» сказал Гупта. “Мы предложили простую идею, которая может объяснить, как клетки собираются, создавая эти вариации. Мы черпаем вдохновение в несовершенной красоте [a] естественная система и надеемся использовать эти недостатки для создания новых видов функциональности в будущем». Возможные будущие применения включают «умные» камуфляжные ткани, которые могут менять цвет, чтобы лучше сочетаться с окружающей средой, или более эффективные системы целевой доставки лекарств.

Материя, 2025 год. DOI: 10.1016/j.matt.2025.102513 (О DOI).