Российские биологи обнаружили, что микроструктура роговицы у нескольких отрядов насекомых оказалась совпадающей с математической моделью, описывающей взаимодействие двух жидкостей, смешивающихся друг с другом. Подобные структуры впервые были описаны известным британским математиком Аланом Тьюрингом в 1952 году в рамках его двухкомпонентной реакционно-диффузной модели. Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Структуры роговицы у различных отрядов насекомых: бабочек, двукрылых, скорпионовых мух, большекрылых, полужесткокрылых (два снимка), сеноедов, щетинохвосток, верблюдок, сетчатокрылых, прямокрылых и стрекоз (слева направо, сверху вниз).Изображение: Artem Blagodatski et al. / PNAS, 2015

Авторы работы изучили строение роговицы у 23 различных отрядов насекомых, в том числе у бабочек, веснянок, жуков, блох и тараканов. Первоначальной целью работы было определение структуры антиотражающих покрытий на глазах. Органы зрения изучались с помощью атомно-силового микроскопа — путем «ощупывания» глаза с помощью очень тонкой иглы. Это позволило получить изображения структур с разрешением в единицы нанометров.

Сравнив строение роговицы у представителей разных отрядов биологи выяснили, что разные типы структур — параллельные бороздки, упорядоченные бугорки и лунки встречаются одинаково часто вне зависимости от положения на филогенетическом древе. Другой интересной находкой стало совпадение формы этих узоров со структурами, предсказанными одной из математических моделей Алана Тьюринга. Эта модель описывает движение двух жидкостей, химически взаимодействующих друг с другом.

Сравнение сканов и результатов моделирования. Изображение: Artem Blagodatski et al. / PNAS, 2015

Такое наблюдение указывает на механизм образования наноструктур на роговице глаз насекомых. Это первый пример того, как модель Тьюринга работает в наномасштабе у живых объектов. Важно отметить, что наблюдаемые структуры встречаются не только у насекомых, но и у пауков, скорпионов. По всей видимости, «тьюринговские структуры» характерны для всего типа членистоногих.

Структура роговицы у различных членистоногих, в частности C — паук. Изображение: Artem Blagodatski et al. / PNAS, 2015

Вместе с публикацией реакционно-диффузионной модели Алан Тьюринг выпустил статью «Химические основы морфогенеза», в которой предположил, что любые неоднородности в живом мире (полосы, спирали, пятна) могут возникать из некоторых однородных состояний. Предложенная математиком реакционно-диффузионная модель морфогенеза послужила основной моделью в теоретической биологии. В частности, существует ряд работ, предполагающих, что особенности окраски различных видов могут быть связаны именно с такими процессами.

Распределение типов наноструктур в различных отрядах Изображение: Artem Blagodatski et al. / PNAS, 2015

Автор: Владимир Королёв