콜로라도 대학교 볼더(UC Boulder)의 최신 연구에서는 동물의 반점과 줄무늬가 '불완전한 아름다움'을 나타내는 원인을 밝혔으며, 이는 과학자들이 자연의 복잡한 피부 패턴을 해독하는 데 중요한 이론적 기초를 제공하고 적응력이 있고 색이 변하는 물질의 개발을 촉진할 것으로 예상됩니다.
점과 줄무늬는 오랫동안 자연에서 다양한 기능을 해왔지만, 이러한 정교한 패턴이 정확히 어떻게 형성되는지는 항상 과학자들을 혼란스럽게 했습니다. 연구팀은 이번에 처음으로 수학적 시뮬레이션과 실제 생물학적 과정을 결합해 규칙적인 것처럼 보이지만 항상 미묘한 변화를 보이는 이러한 자연 패턴이 어떻게 생성되는지 밝혀냈습니다.
화학생물공학부의 프로젝트 리더인 안쿠르 굽타(Ankur Gupta)는 "자연은 불완전함으로 가득 차 있습니다."라고 말했습니다. "우리는 세포가 어떻게 다양한 패턴을 조립하고 생성하는지 설명하는 간단한 이론을 제안합니다."
연구팀은 이르면 2023년 튜링 반응-확산 모델을 바탕으로 새로운 이론을 제안하고 '확산영동'이라는 물리적 과정을 도입해 농도 구배에 따라 세포나 입자가 이동하는 방식을 설명했다. 이 획기적인 발전은 열대어, 뱀 및 기타 종의 명확한 패턴 형성을 설명하는 수학적 기초를 제공합니다. 그러나 초기 모델은 물리적 시뮬레이션에 더 가깝고 실제 생물학적 조직과 색소 세포의 동작을 아직 완전히 시뮬레이션하지 않았으며 자연의 패턴이 "완벽한 복제"가 아니라는 점을 설명할 수도 없습니다.
최신 모델은 세포를 특정 크기의 개체로 표현하고 조직 간의 움직임과 분포를 시뮬레이션함으로써 더욱 개선되었습니다. 새로운 알고리즘으로 생성된 패턴은 실제 동물에 더 가깝고 자연스러운 '불완전함'과 풍부한 레이어가 있는 패턴을 보여줍니다. 예를 들어, 색소 세포는 고정된 상태로 유지되지 않고 화학적 변화에 따라 이동하고, 분열하고, 반응합니다. 또한 동물의 실제 몸 모양은 규칙적인 평면이 아니며 모든 구부러짐과 접힘은 화학 물질의 분포와 표시 방향에 영향을 미칩니다. 이러한 생물학적 및 물리적 메커니즘의 결합으로 인해 과학자들은 "아름다운 불완전성"이라고 부르는 현상이 발생합니다.
Gupta는 "자연의 이러한 결함과 질감을 포착하려면 세포 크기만 제공하면 됩니다."라고 말했습니다. 새로운 모델은 자연 패턴 속에 질서정연하면서도 개성 넘치는 현상을 설명하는 새로운 답을 제시하고, 미래 생체 소재와 스마트 표면 디자인에 대한 새로운 아이디어를 불러일으킬 수 있습니다. 앞으로 연구팀은 시뮬레이션 효과를 더욱 향상시키기 위해 세포와 화학물질 사이의 보다 복잡한 상호작용을 시뮬레이션할 수 있기를 희망합니다.
굽타는 "우리는 불완전한 자연 시스템에서 영감을 얻고 있으며 이러한 특성을 활용하여 향후 새로운 기능성 소재를 개발할 수 있기를 희망합니다"라고 덧붙였습니다. 이 연구는 저널 Matter에 게재되었습니다.