コロラド大学ボルダー大学（UCボルダー）の最新の研究は、動物の斑点や縞模様の「不完全な美しさ」の原因を明らかにし、科学者が自然界の複雑な皮膚パターンを解読するための重要な理論的基礎を提供し、適応性のある色が変化する材料の開発を促進することが期待されています。

斑点や縞模様は自然界で長い間さまざまな機能を果たしてきましたが、これらの絶妙なパターンが正確にどのように形成されるのかは常に科学者を困惑させてきました。今回、研究チームは数学的シミュレーションと実際の生物学的プロセスを初めて組み合わせ、規則的に見えるが常に微妙な変化を伴うこれらの自然のパターンがどのように生成されるかを明らかにした。

「自然は不完全さに満ちています」と化学生物工学部のプロジェクトリーダー、アンクル・グプタ氏は語った。 「私たちは、細胞がどのように集合して多様なパターンを作り出すのかを説明する簡単な理論を提案します。」

早ければ2023年に、チームはチューリング反応拡散モデルに基づく新しい理論を提案し、細胞や粒子が濃度勾配に沿ってどのように移動するかを説明するために「拡散泳動」の物理的プロセスを導入した。この画期的な発見は、熱帯魚、ヘビ、その他の種における明確なパターンの形成を説明するための数学的基礎を提供します。しかし、初期のモデルは物理シミュレーションに近く、実際の生体組織や色素細胞の挙動をまだ完全にはシミュレートできておらず、自然界のパターンが「完全なレプリカ」ではないことも説明できません。

最新のモデルは、細胞を特定のサイズの個体として表現し、組織間の移動と分布をシミュレートすることでさらに改良されています。新しいアルゴリズムによって生成されたパターンは実際の動物により近く、自然な「不完全さ」と豊富なレイヤーを備えたパターンが示されています。たとえば、色素細胞は静止したままではなく、移動し、分裂し、化学勾配に反応します。さらに、動物の本当の体の形は規則正しい平面ではなく、あらゆる曲がりや折り目は化学物質の分布とその模様の方向に影響を与えます。これらの生物学的メカニズムと物理的メカニズムの組み合わせにより、科学者が「美しい不完全さ」と呼ぶものが生まれます。

グプタ氏は、「自然界の欠陥や質感を捉えるには、細胞に寸法を与えるだけで十分です」と述べた。新しいモデルは、自然のパターンにおける秩序的でありながら個性に満ちた現象を説明するための新しい答えを提供し、将来の生体材料やスマートな表面デザインに新しいアイデアをもたらす可能性があります。研究チームは将来的に、細胞と化学物質の間のより複雑な相互作用をシミュレーションして、シミュレーション効果をさらに向上させたいと考えています。

グプタ氏は、「私たちは不完全な自然システムからインスピレーションを得ており、将来的にはこれらの性質を利用して新しい機能性材料を開発したいと考えています。」と付け加えた。この研究は雑誌「Matter」に掲載されました。