Tại sao động vật có họa tiết chấm và vằn?

[Vitamin C]

Hoa văn trên lông và vảy động vật — từ đốm báo đến sọc ngựa — bắt nguồn từ những cơ chế sinh học và vật lý phức tạp. Nghiên cứu mới mô phỏng sự khác biệt kích thước và tương tác của tế bào, giải thích vì sao hoa văn trong tự nhiên luôn có những khiếm khuyết đẹp mắt.

Bộ lông và vảy trong giới động vật không chỉ để ngụy trang hay thu hút bạn tình, mà còn là kết quả của quá trình phát triển mô phức tạp. Những hoa văn hình học như đốm báo hay sọc hổ khiến các nhà khoa học — từ toán học đến kỹ sư — tò mò về cách chúng hình thành.

Mô hình Turing và ý tưởng nền tảng​

Alan Turing vào năm 1952 từng đề xuất rằng khi mô phát triển sẽ sinh ra các chất hóa học khuếch tán, hoạt động giống như sữa trắng lan vào cà phê đen. Một số hợp chất kích hoạt tế bào sản xuất sắc tố, trong khi những hợp chất khác ức chế, tạo ra các khoảng trống giữa các vùng màu. Tuy nhiên mô phỏng dựa trên ý tưởng này thường cho ra các họa tiết méo mờ hơn so với thực tế.

Diffusiophoresis: cơ chế kéo theo và bước cải tiến​

Năm 2023, kỹ sư hóa học Ankur Gupta và cộng sự bổ sung một cơ chế nữa gọi là diffusiophoresis — tức hiện tượng các hạt khuếch tán kéo theo các hạt khác, tương tự cách xà phòng thoát khỏi quần áo và cuốn theo bụi bẩn trong nước. Cơ chế này giúp tạo các đường biên sắc nét hơn so với mô hình Turing ban đầu.

Nhóm nghiên cứu dùng họa tiết lục giác tím-đen trên cá hộp trang trí (ornate boxfish) làm thí dụ. Mô phỏng với diffusiophoresis tạo ra các ô lục giác sắc nét nhưng quá đều: tất cả ô có kích thước và khoảng cách giống nhau, điều mà thiên nhiên hiếm khi làm được.

Thêm sự không đồng nhất của tế bào để mô phỏng thực tế​

Trong nghiên cứu mới đăng trên tạp chí Matter, nhóm của Gupta gán kích thước riêng cho từng tế bào rồi mô phỏng cách chúng di chuyển qua mô. Khi tế bào có kích thước khác nhau, các họa tiết xuất hiện với những khiếm khuyết và vết lấm tấm giống thiên nhiên hơn.

Hình dung như các quả bóng kích thước khác nhau lăn trong một ống: quả to tạo biên dày hơn, các quả nhỏ tạo những vệt mảnh. Khi những quả bóng va chạm và gây tắc nghẽn, đường liền sẽ bị đứt đoạn — tương tự hiện tượng gây ra vết gãy trong sọc của ngựa vằn.

Kết quả là mô phỏng hiện nay cho thấy các đường gãy, kết cấu hạt và sự không đồng đều giống với họa tiết trong tự nhiên hơn hẳn.

Ứng dụng tương lai​

Hiểu cách các tế bào tạo hoa văn có thể giúp kỹ sư phát triển vật liệu đổi màu theo môi trường giống da tắc kè, hoặc cải tiến phương pháp đưa thuốc tới đúng vị trí trong cơ thể. Nhóm nghiên cứu cho biết họ sẽ tiếp tục thêm các tương tác phức tạp giữa tế bào và các chất nền để tăng độ chính xác của mô phỏng.

"Chúng tôi lấy cảm hứng từ vẻ đẹp không hoàn hảo của hệ tự nhiên và hy vọng tận dụng những khiếm khuyết này để tạo ra các tính năng mới trong tương lai," Gupta nói.

Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Matter, mở ra hướng tiếp cận mới cho việc mô phỏng và ứng dụng hoa văn sinh học.