Viele Muster im Tierreich folgen sogenannten „Turing-Mechanismen“, benannt nach dem britischen Mathematiker Alan Turing (1912-1954). Sie entstehen während der Embryonalentwicklung, wenn verschiedene Komponenten im Gewebe diffundieren und die Pigmentbildung je nach Konzentration entweder fördern oder hemmen – ähnlich wie beim Einschenken von Milch in Kaffee verschiedene Muster entstehen. Bei jedem Individuum erfolgt die Verteilung zufällig, sodass selbst eineiige Zwillinge unterschiedliche Fellzeichnungen entwickeln. Doch auch wenn Turings Theorie erklärt, wie sich spontan vielfältige Muster herausbilden, können sie nicht alle ihrer Eigenschaften erklären.
Turing-Modelle erweitert
„Klassische Turing-Modelle werden der Komplexität, die in realen biologischen Mustern zu beobachten ist, oft nicht gerecht“, erklären Siamak Mirfendereski und Ankur Gupta von der University of Colorado in Boulder. „Natürliche Muster sind vielschichtig, strukturiert und von Natur aus unvollkommen. Klassische Turing-Modelle sind idealisiert und lassen natürliche Unvollkommenheiten außer Acht.“ Beispielsweise können die Streifen von Zebras und Tigern unterschiedlich kräftig sein und brechen manchmal zwischendrin ab. Auch das Fleckenmuster der Leoparden bildet keine perfekten Kringel.
Diese Unvollkommenheit lässt sich mit Turings Modell nicht ausreichend erklären. Überdies müssten die Grenzen zwischen den verschieden gefärbten Bereichen des Fells gemäß Turings Berechnungen unschärfer sein. Mirfendereski und Gupta haben Turings Theorie nun um einen weiteren Mechanismus ergänzt, der die natürliche Variation in ihrer Schärfe und Unvollkommenheit erklärt. Zu der bereits von Turing angenommenen Diffusion kommt demnach ein Prozess namens Diffusiophorese hinzu, bei dem diffundierende Teilchen andere Teilchen mit sich ziehen. Dadurch kommen Muster mit klar voneinander abgegrenzten Farbbereichen zustande.
Perfekte Unvollkommenheit
Um ihr Modell zu testen, versuchten die Forschenden, damit die Muster des Schmuck-Kofferfisches zu reproduzieren, einer auffällig gefleckten Fischart, die in den Meeren vor Australien vorkommt. Tatsächlich sorgte die ins Modell integrierte Diffusiophorese für klare Konturen im Muster. Allerdings entstanden nur perfekte, regelmäßige Sechsecke, die alle die gleiche Größe und Form hatten und in einem identischen Abstand zueinander angeordnet waren. In der Natur dagegen sind Schmuck-Kofferfische unregelmäßig gemustert.
Wie Mirfendereski und Gupta feststellten, lag der Fehler ihres Modells darin, dass es nicht die unterschiedlichen Größen der verschiedenen Zellen sowie ihre Wechselwirkungen untereinander berücksichtigte. Als die Forschenden diese Parameter ergänzten, lieferte ihr Modell tatsächlich scharfe und zugleich unregelmäßige Muster, die den natürlichen sehr nahe kommen. „Wir sind in der Lage, diese Unvollkommenheiten und Texturen zu erfassen, indem wir den Zellen einfach eine Größe geben“, sagt Gupta. Durch die Kombination aus Diffusion, Diffusiophorese und größenabhängigen Interaktionen zwischen den Zellen entstanden im Modell auch körnige Strukturen und zufällige Unterbrechungen der Muster, so wie sie sich in der Realität finden.
