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なぜ不完全性が自然界のチューリングパターンの鍵となるのか

本質的に、これは対称性の破れの一種です。活性化因子と抑制因子として機能する 2 つのプロセスは周期的なパターンを生成し、チューリングの拡散関数を使用してモデル化できます。課題は、明らかに単純化されたチューリングのモデルから、活性化因子と抑制因子の役割を果たす正確なメカニズムを特定することに移行しています。 これは生物学において特に困難です。この最新の論文の著者らによると、チューリング機構への古典的なアプローチは単一の長さスケールを使用して反応と拡散のバランスをとりますが、生物学的パターンにはマルチスケール構造、粒子状のテクスチャ、または特定の固有の欠陥が組み込まれていることがよくあります。そして、結果として得られるパターンは、自然界で見られるものよりもはるかにぼやけていることがよくあります。 「拡散性フェローシス」とでも言えばいいでしょうか？ 化学パターン上に 2 種類の細胞を拡散泳動的に集合させることで得られる、六角形と縞模様のシミュレーション。 クレジット: Siamak Mirfendereski および Ankur Gupta/CU Boulder 2023 年、UCB の生化学エンジニアである Ankur Gupta と Benjamin Alessio は、拡散フェロシスをミックスに加えた新しいモデルを開発しました。これは、溶質濃度勾配の違いを介してコロイドが輸送されるプロセスであり、石鹸が水中で洗濯物から拡散し、汚れの粒子を生地から引きずり出すプロセスと同じです。グプタ氏とアレッシオ氏は、新しいモデルを使用して、オーストラリア原産の華やかなハコフグの特徴的な六角形パターン（紫と黒が交互）をシミュレートすることに成功し、チューリングが当初提案したモデルよりもはるかに鮮明な輪郭を実現しました。 問題は、シミュレーションによって生成されたパターンが完璧すぎることでした。六角形はすべて同じサイズと形状で、同じ距離だけ離れていました。対照的に、自然界の動物のパターンは完全に均一ということはありません。そこで、Gupta 氏と、この最新論文の UCB 共著者である Siamak Mirfendereski 氏は、モデルを調整して希望のパターン出力を得る方法を考え出しました。彼らがしなければならなかったのは、個々のセルの特定のサイズを定義することだけでした。たとえば、細胞が大きくなると輪郭が太くなり、細胞が集まるとより幅広いパターンが生成されます。そして時々細胞が詰まり、縞模様が崩れてしまうこともあります。彼らの修正されたシミュレーションにより、自然界で見られるものと非常によく似たパターンとテクスチャが生成されました。 「不完全さは自然界のどこにでも存在します」とグプタ氏は言う。 「私たちは、細胞がどのように集合してこれらのバリエーションを生み出すかを説明できるシンプルなアイデアを提案しました。私たちは、不完全な美しさからインスピレーションを得ています。 [a] 将来的には、これらの不完全性を利用して新しい種類の機能を実現したいと考えています。」将来の応用例としては、色を変えて周囲の環境とうまく調和できる「スマート」な迷彩生地や、より効果的な標的薬物送達システムなどが考えられます。 マター、2025 年。DOI: 10.1016/j.matt.2025.102513…