揭密：动物斑点背后的奇妙进化之路

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自然通过其许多不同的动物图案创造出令人惊叹的生动艺术作品，例如豹子的斑点或斑马的条纹。但是，动物是如何获得这些独特的设计的，为什么没有两个图案是完全相同的呢？

科罗拉多大学博尔德分校的新研究可能提供了答案。研究人员使用先进的模拟和全新的模型发现，遗传学并不是决定这些图案的唯一因素。相反，秘密在于细胞如何以不规则且美丽的不完美方式相互移动和作用。

图灵的基础模型

几十年来，科学家们一直依赖艾伦·图灵1952年的数学模型来解释动物是如何形成这些引人注目的图案的。他的反应扩散理论表明，两种不同的化学物质，称为形态发生素，以不同的速度在发育组织中扩散。一种化学物质促进色素的产生，而另一种则阻止它。

这两种化学物质之间的相互作用产生了高浓度和低浓度的波动。这些不断增长的波最终定义了最终的图案——无论是斑点、条纹、螺旋，还是甚至六边形——中间有更深或更浅的空间。尽管图灵模型的数学是有效的，但产生的图案却模糊不清，且比自然界中的图案更为模糊。

用扩散电泳增加运动

2023年，科罗拉多大学博尔德分校的物理学家们提出了他们认为弥补图灵完美数学与自然混乱现实之间差距的关键：扩散电泳。

扩散电泳解释了物理物体（比如产生色素的细胞）是如何在组织中的化学梯度作用下微妙地移动的，类似于水流推动物体。这些水流在动物生长过程中，物理地推动和拉动色素细胞到新的位置。

当研究人员把这种扩散电泳机制加入反应-扩散方程时，结果立刻变得更加清晰和真实。新的模拟图案开始展现出真实动物中的特征，比如华丽箱鱼（Aracana ornata）上清晰的六边形标记。

然而，即使考虑了扩散电泳效应，模拟结果仍然过于均匀。所有斑点的大小都一样，线条之间的间距几乎达到了完美的几何精度。图案的一致性让它们看起来像是人工制作的，甚至是计算机生成的，这与我们在自然中看到的有机、变化多端的图案正好相反。

自然如何拥抱不完美

最新研究于2025年10月发表在Matter上，终于解决了在模拟自然图案时完美与均匀性的问题。这次，研究人员突破了旧有模型，模拟了更真实的细胞行为。

研究人员不再把发育中的皮肤看作静态、光滑的表面，而是赋予这些虚拟细胞各自的特征。他们为每个细胞编程，赋予其独特的大小、运动模式和微妙的物理特征。新的模拟中包含了以稍微不规则的方式推动、移动和扩展的细胞，类似于真实的动物细胞。

这次的结果更加自然。模型从生成数学上完美的线条，转变为生成与自然界中发现的模式非常相似的图案。条纹摇曳、断裂，而斑点的大小和间距则自然变化。新模型甚至可以创造出微小的瑕疵，模仿真实毛皮或鱼鳞中几乎看不见的特征。

简单来说，新模型结束了生成静态、完美设计的过程，开始产生不断演变和变化的生动图案。这一最终的改进——考虑到自然界中个体细胞的随机运动和不均匀性——成功生成了斑马的弯曲、破碎条纹和美洲豹的各种斑点。

这表明，不完美并不是缺陷，而是自然构建和组织生命的基本特征。进化似乎也更喜欢不规则性。不均匀的条纹和不对称的斑点并不是错误，而是往往增强伪装，改善物种内的识别。变异本身可以帮助提升种群的整体适应能力。

研究动物图案如何推动创新

理解动物图案的形成不仅具有广泛的应用，还超越了简单的美学。用于模拟动物毛皮图案的数学原理同样适用于理解复杂的生物过程，比如 皮肤创伤的愈合。

除了生物学，这些发现也推动了技术的发展。工程师们已经开始利用这些原理来创造自适应面料、 光电皮肤 和自组织软机器人。对自然图案形成的更深入理解，可能会在变色材料、高级伪装和更有效的医疗治疗等领域带来新的突破。