Les dernières recherches de l'Université du Colorado à Boulder (UC Boulder) révèlent la cause de la « beauté imparfaite » des taches et des rayures sur les animaux, fournissant ainsi une base théorique importante aux scientifiques pour déchiffrer les motifs complexes de la peau dans la nature, et devraient promouvoir le développement de matériaux adaptatifs et changeants de couleur.
Les taches et les rayures remplissent depuis longtemps diverses fonctions dans la nature, mais la manière exacte dont ces motifs exquis se forment a toujours intrigué les scientifiques. Cette fois, l’équipe de recherche a combiné pour la première fois des simulations mathématiques avec des processus biologiques réels pour révéler comment ces modèles naturels, qui semblent réguliers mais présentent toujours des changements subtils, sont générés.
"La nature est pleine d'imperfections", a déclaré Ankur Gupta, chef de projet du Département de génie chimique et biologique. "Nous proposons une théorie simple qui explique comment les cellules s'assemblent et créent divers modèles."
Dès 2023, l'équipe a proposé une nouvelle théorie basée sur le modèle de réaction-diffusion de Turing et a introduit le processus physique de « diffusiophorèse » pour expliquer comment les cellules ou les particules migrent le long des gradients de concentration. Cette avancée fournit une base mathématique pour expliquer la formation de motifs clairs chez les poissons tropicaux, les serpents et d’autres espèces. Cependant, les premiers modèles ressemblent davantage à des simulations physiques et n’ont pas encore complètement simulé le comportement des tissus biologiques et des cellules pigmentaires réels, et ils ne peuvent pas non plus expliquer que les modèles dans la nature ne sont pas des « répliques parfaites ».
Le dernier modèle est encore amélioré en représentant les cellules comme des individus de tailles spécifiques et en simulant leur mouvement et leur répartition parmi les tissus. Les motifs générés par le nouvel algorithme sont plus proches des animaux réels, montrant des motifs avec des « imperfections » naturelles et des couches riches. Par exemple, les cellules pigmentaires ne restent pas stationnaires mais se déplacent, se divisent et répondent aux gradients chimiques. De plus, la véritable forme du corps de l'animal n'est pas un plan régulier, et chaque courbure et pli affecte la répartition des produits chimiques et la direction de ses marques. La combinaison de ces mécanismes biologiques et physiques aboutit à ce que les scientifiques appellent « de belles imperfections ».
Gupta a déclaré: "Il vous suffit de donner des dimensions aux cellules pour capturer ces défauts et textures dans la nature." Le nouveau modèle apporte de nouvelles réponses pour expliquer le phénomène d'ordre mais de personnalité dans les motifs naturels, et pourrait inspirer de nouvelles idées pour les futurs biomatériaux et la conception de surfaces intelligentes. À l’avenir, l’équipe de recherche espère simuler des interactions plus complexes entre les cellules et les produits chimiques pour améliorer encore l’effet de simulation.
Gupta a ajouté : « Nous nous inspirons de systèmes naturels imparfaits et espérons utiliser ces qualités pour développer de nouveaux matériaux fonctionnels à l'avenir. » La recherche a été publiée dans la revue Matter.