動物吸睛斑點、條紋 如何形成？
大自然有各色各樣的美麗圖案，如豹子斑點、斑馬條紋、箱魨魚（Boxfish）六邊形圖案等。但這些圖案如何形成，仍缺少完整解釋。最新研究發現，被稱為擴散電泳（Diffusiophoresis）的物理過程扮演重要角色。
科羅拉多大學波德分校工程師發現，去除衣物汙垢與熱帶魚獲得彩色條紋其實是同一種物理過程。研究結果已發表於《科學尖端》（Science Advances）期刊。
論文第一作者、化學與生物工程系大學部研究員班傑明‧阿萊西奧（Benjamin Alessio）說，許多生物學問題，從根本來說都歸於同一個問題：當一切都從球形細胞群開始時，生物體如何發展出複雜的圖案和形狀？「我們的工作使用簡單的物理和化學機制，解釋複雜生物現象。」
生物學家認為，許多動物以皮毛圖案偽裝自己或吸引配偶。例如：雖然基因編碼含有諸如豹子皮毛斑點、顏色等訊息，但僅靠遺傳學並不能解釋這些斑點如何形成。
牛奶在咖啡中擴散 圖靈機制
DNA雙螺旋結構被發現之前，現代運算科學奠基人、數學家艾倫‧圖靈（Alan Turing）於1952年提出動物如何獲得各種圖案的大膽理論。
圖靈假設，隨著生物組織發育，會產生各種化學物質。這些物質透過生物組織擴散，過程類似把牛奶添加到咖啡中。其中有些物質相互反應形成斑點，而其他的物質則抑制斑點擴散，在斑點之間形成間隔。
圖靈的理論顯示，這種簡單的「反應擴散」（reaction-diffusion）模式，無需複雜的遺傳過程，就足以解釋生物圖案形成的基礎。
「圖靈機制當然可以產生圖案，但擴散不會產生清晰的圖案。」化學與生物工程系助理教授、通訊作者安庫爾‧古普塔（Ankur Gupta）說。例如：當牛奶在咖啡中擴散時，會以模糊的輪廓向各方流動。
謎……箱魨魚六邊形圖案
阿萊西奧參觀聖地牙哥博趣水族館（Birch Aquarium）時，箱魨魚身上的複雜圖案具有非常鮮明清晰的邊界，讓他留下深刻印象。箱魨魚的圖案由一個紫色點、黑色六邊形、黃色六邊形線條組成。
他認為，僅靠圖靈的理論無法解釋這些六邊形的清晰輪廓。但這種圖案讓他想起了他一直在進行的電腦模擬，其中的粒子確實會形成類似的清晰條紋。
阿萊西奧是古普塔研究團隊成員，他想知道「擴散電泳」過程，是否在自然圖案的形成過程發揮作用。
當分子在液體中移動時，因為濃度差異會發生擴散電泳，並加速同一環境中其他類型分子移動，這也是使得衣物變乾淨的方法。
近期研究顯示，用清水沖洗肥皂浸泡過的衣服，比用肥皂水沖洗，能更快除去汙垢。這是因為當肥皂從織物擴散到肥皂濃度較低的清水中時，肥皂分子運動會吸出汙垢。反之，當衣物用肥皂水沖洗時，肥皂濃度沒有差異，汙垢就會留在原處。
動物圖案與擴散電泳有關？
古普塔、阿萊西奧在模擬中都觀察到，擴散電泳過程，分子運動始終遵循清晰的軌跡，並產生輪廓清晰的圖案。
為了確定擴散電泳是否可能在動物身體圖案形成時發揮作用，古普塔、阿萊西奧使用圖靈方程，模擬箱魨魚皮膚上紫色斑點、黑色六邊形圖案。電腦生成一張帶有模糊紫色點和微弱黑色輪廓的圖片。研究團隊修改圖靈方程納入擴散電泳，結果顯示，與魚身上明亮而銳利的雙色六邊形圖案更加相似。
研究團隊的理論顯示，當化學物質像圖靈所描述的那樣透過生物組織進行擴散時，也會透過擴散電泳機制，拖曳產生色素的細胞一起移動，就像肥皂從衣服中將汙垢攜帶出來一樣。這些色素細胞會形成輪廓更清晰的斑點和條紋。
圖靈理論提出幾十年後，科學家利用這一機制來解釋生物學中的許多其他圖案，如小鼠毛囊的排列和哺乳動物口腔頂部的脊。
「研究結果強調，擴散電泳在圖案形成領域的作用可能被低估了。這項工作不僅具有在工程和材料科學領域的應用潛力，而且還為研究擴散電泳在胚胎和腫瘤形成等生物過程中的作用提供了機會。」古普塔說。◇
