动物是如何长出斑点和条纹的？

当Ben Alessio参观圣地亚哥的 Birch 水族馆时，他找到了一个关于一个古老生物学问题的意想不到的线索：动物的斑点和条纹是如何形成的？

从一个层面来说，答案很简单；很容易看出它们是如何演变成伪装或警告信号，或者吸引配偶的方式。但进化论的解释并没有触及更深层的问题：在具体而微的机制意义上，这些图案是如何在个体动物身上发育形成的？

因为乍一看，它们似乎毫无道理。当颜色相互作用时，我们通常期望它们会扩散，直到达到一种单调的平衡。将牛奶倒入咖啡中，你不会得到像豹子皮毛那样有趣的棕白斑块——你得到的是 8 盎司的均匀米色。

什么是图灵图案？

然而，艾伦·图灵，这位更广为人知的数学家、计算机科学先驱和后来被称为图灵测试的奠基人，在他的开创性论文“形态发生学的化学基础”中，展示了它是如何运作的。

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他认为，当组织发育时，各种色素化学物质像咖啡中的牛奶一样在其中扩散。这里的区别在于，这些化学物质相互反应并抑制对方，从而抵消了扩散：有些形成斑点，有些形成斑点之间的空白区域，所有不同的区域共存于我们今天称之为“图灵图案”的状态。

现在是斯坦福大学机械工程博士生的 Alessio 解释了这些图案看似矛盾的本质。“基本思想是，”他说，“你有一个均匀的系统，从中产生一个异质系统。”

图灵的创新数学是一个不错的起点，但它们并不完全符合现实。在他的模型中，颜色之间的边界是模糊的，每种色调都融入下一个。但是，例如，为什么斑马有条纹？更具体地说，为什么它们的条纹有清晰的界线区分黑白——没有灰色区域？因此，正如研究人员几十年来所知，该理论是不完整的。

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然而，Alessio 在水族馆的发现可能是这个谜题的下一块。在旅行之前，他一直在运行生成图灵图案的计算机模拟，但图案更清晰。然后，他回忆道，“当我看到一条鱼看起来与模拟完全一样时，一切都串联起来了。”

这是一条箱鲀，身上覆盖着令人惊叹的细小黄色六边形网格，每个六边形中心都有一个明亮的蓝色圆点，周围是黑色空间。为了弄清楚这是否可能是他屏幕上看到的景象的真实世界例子，他告诉了当时还是科罗拉多大学博尔德分校（ wówczas był asystentem badawczym）的研究助理 Ankur Gupta，他是一名化学工程师。两人立即着手工作。

“接下来的几天，我们疯狂地试图复制这种图案，”Gupta 说，最终他们成功了。

什么是扩散迁移？

他们的见解，在一篇发表在《Science Advances》杂志上的近期论文中有所描述，是将图灵的理论与一种称为扩散迁移的过程相结合——这是使你的衣物在充分起泡后保持清新洁净的相同简单机制。当肥皂颗粒从衣物（它们浓度很高的地方）流向清水（它们浓度较低的地方）时，它们会将污垢颗粒一同带走。

更广泛地说，在任何具有浓度梯度的溶液中，扩散力都会推动碰巧在周围漂浮的较大颗粒。在这种情况下，这些较大的颗粒是色素细胞，它们赋予许多动物（包括鱼类、爬行动物和两栖动物——哺乳动物和鸟类有另一种类型的色素细胞，称为黑色素细胞）颜色。扩散迁移将它们聚集在一起形成离散的条纹结构——斑点和条纹。

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当 Alessio 和 Gupta 运行了通过扩散迁移增强的图灵图案的新模拟时，他们能够创建出更清晰的轮廓。单独任何一种过程都无法复制出精美的箱鲀设计，但两者的结合几乎完美匹配。

形态学的奥秘

当图灵发表他的理论时，他心中想的是比皮肤图案更宏大的事情。他想解释形态学的各种神秘现象，即生物体形成的过程——它们的细胞、组织和器官如何分化并生长成如此复杂的产品。

Alessio 和 Gupta 也相信他们的贡献可以帮助回答各种生物学问题，从肿瘤形成到胚胎发育。他们还希望这些想法能在新技术中发挥作用，例如人造伪装，或能够诊断病情的皮肤贴片。

然而，Gupta 指出，图灵数学与扩散迁移的结合不一定是一个完整的解释。他们并没有排除形态学中可能存在的其他过程（例如趋化性，即细胞响应化学刺激的迁移，这已被提出作为细胞可以自我组织的另一种方式）。相反，他们强调了一个他们认为被低估过程的潜在重要性。

他们承认他们的模型是理论性的。要完全理解模式如何在生物体中出现，研究人员必须超越模拟，直接研究这些生物体——一个可能复杂得多的生物学背景。“当然，”Gupta 说，“在一个真实的系统中可能存在其他因素。”

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