Zebrastrepen, panterstippen en vissen met ‘polkaprint’: de natuur zit vol met dit soort patronen. Hoe die ontstaan was al bekend, maar dankzij een nieuw model weten we nu ook waarom al die patronen imperfecties bevatten.
Wiskundige Alan Turing staat vooral bekend als computerpionier. Met zijn turingmachine legde hij de basis voor de informatica en tijdens de Tweede Wereldoorlog ontcijferde hij de Enigma-machine, een belangrijke bijdrage aan de overwinning van de geallieerden.
Minder bekend is zijn theorie over patronen op dierenhuiden, zoals tijgerstrepen en luipaardvlekken. In 1952, twee jaar voor zijn dood, werkte hij een theorie uit in het artikel The Chemical Basis of Morphogenesis. Daarin beschrijft hij hoe patronen in de natuur kunnen ontstaan vanuit een aanvankelijk homogene en uniforme staat.
Volgens deze reactie-diffusietheorie zijn er altijd minstens twee substanties betrokken bij de patroonvorming: een activerende en een remmende stof. De activator zet de productie en verspreiding van de twee stoffen in gang, terwijl de andere stof dat proces blokkeert. Die remmende stof verspreidt zich bovendien sneller dan de activator. Wanneer dit proces zich in weefsel afspeelt, wordt de activator op een gegeven moment omsingeld door de remmende stof en ontstaat er een soort evenwicht. Wanneer die stoffen ook pigmentproducerende cellen in gang zetten, ontstaat er een stippenpatroon. Soortgelijke processen leiden tot strepen, spiralen en andere patronen.
Perfecte patronen
Twee jaar geleden verbeterde het team van Ankur Gupta, bio-ingenieur aan de universiteit van Colorado, Turings theorie door een nieuw mechanisme eraan toe te voegen: diffusioforese. Dat is het proces waarbij deeltjes die zich verspreiden, andere deeltjes met zich mee trekken. Denk aan deeltjes wasmiddel die vuile deeltjes uit vieze kleding halen.
Toch was de kennis over de daadwerkelijke patroonvorming in de natuur nog altijd niet compleet: het wiskundige model maakte perfecte stippatronen met evenveel ruimte tussen de stippen in. Patronen in de natuur zijn nooit zo perfect, denk aan de stippen van een luipaard, die niet allemaal even groot zijn.
De nieuwe studie breidde het diffusioforese-model verder uit tot een model waarin die imperfectie wel een rol kreeg. Toen de onderzoekers rekening hielden met verschillen in celgroottes en de beweging van die verschillende cellen door het weefsel, begon de simulatie imperfecte patronen te vertonen die wél in het echt voorkomen.
Een beter begrip over patroonvorming kan ingenieurs helpen om synthetische materialen te maken die veranderen naargelang de omgeving. In de geneeskunde kan het leiden tot nieuwe manieren om medicijnen in specifieke delen van het lichaam af te geven.
Bron: University of Colorado Boulder, Verenigde Staten
