生物の模様はなぜ”美しく不完全”なのか？「反応拡散系」に新要素を追加し再現

動物模様の再現に挑む！従来のモデル「反応拡散系」とは

自然界には、整然とした美しさと、絶妙な“不完全さ”を併せ持つ模様があふれています。

シマウマの縞やヒョウの斑点、ハコフグの皮膚の六角模様など、一見すると規則正しく見えますが、よく見ると一本ごとの太さや間隔、斑点や六角形の大きさや形が微妙に違っていることに気づきます。

こうした“美しく不完全な模様”が、どのような仕組みで生まれるのか。

その基本的な理論は、1952年に数学者アラン・チューリングが提唱した「反応拡散系」にさかのぼります。

彼は、「組織が発達するにつれて化学物質が生成され、コーヒーにミルクを一滴落とすとそこから模様が広がるようなプロセスで、体内に拡散されていく」という仮説を立てました。

体内で広がる化学物質の濃度が細胞のふるまいを変化させ、それぞれの場所で色素が生まれたり抑えられたりして、模様が自然に現れるというのです。

この理論は、シマウマの縞や魚の模様など、実際の生き物のパターン形成を説明するのに役立ってきました。

しかし、計算機で反応拡散系をシミュレーションしてみると、ミルクとコーヒーの境目がなくなっていくように、どうしても「模様の輪郭がぼんやりしてしまう」という問題が生じました。

また、「斑点や縞の大きさや間隔が均一になりすぎてしまう」ことも課題でした。

自然界で見られるような、“粒々の質感”や“細かいズレ”“途中で模様が途切れる”といった要素までは、従来のモデルでは再現できなかったのです。

このような限界を乗り越えるため、コロラド大学ボルダー校の研究チームは「自然の模様がなぜ“美しく不完全”なのか」を数理モデルで解き明かすことに挑みました。