Gestreept, gevlekt of geribbeld

Ongeveer zestig jaar geleden formuleerde Alan Turing, beroemd om zijn Turingmachine en het ontcijferen van de Enigma, een wiskundige theorie die verklaarde hoe patronen als strepen en vlekken ontstaan op de vacht van dieren. Turing stelde dat het een subtiel samenspel moest zijn tussen twee stoffen die de pigmentvorming beïnvloeden. Onder die aanname kon hij met behulp van wiskundige vergelijkingen precies aantonen hoe de karakteristieke patronen ontstonden bij giraffen, tijgers, zebra’s en allerlei andere dieren. Turings artikel werd alom geprezen, en is al veelvuldig geciteerd. Pas onlangs toonden onderzoekers bij muizen het bestaan van de twee stoffen aan.

De onderzoekers van het King’s College in Londen publiceren binnenkort in Nature Genomics over hun vondst. Ze bestudeerden de vorming van ribbels in het gehemelte van een muis. Het patroon dat hieraan ten grondslag ligt, ontstaat door het samenspel van FGF (Fibroblast Growth Factor) en Shh (Sonic Hedgehog). Een van deze stoffen stimuleert de aanmaak van zowel FGF als Shh, en is daarmee een activator. De andere stof remt de aanmaak van beide stoffen remt: het is een inhibitor.

De theorie die Turing in de jaren ’50 van de vorige eeuw formuleerde verklaarde hoe patronen konden ontstaan, uitgaande van stoffen met zo’n remmende en stimulerende werking. Dat patroon kan zich vervolgens uiten als strepen of vlekken op van de vacht van een dier, maar ook ribbels in het gehemelte van een muis. In alle gevallen gaat het om een patroon dat zich geleidelijk ontwikkelt. Turing argumenteerde dat de inhibitor en de activator bij een embryo in het begin nog gelijkmatig verdeeld waren, waardoor er nog geen kleur- of ribbelpatroon zichtbaar was. De beide stoffen waren dan precies in balans. Wanneer echter door een kleine verstoring op een bepaalde plek een overschot zou ontstaan van de activator, dan zou dit als een sneeuwbaleffect leiden tot de bekende patronen.

Stel namelijk dat er op een bepaalde plek iets meer van de stimulerende stof, de activator, aanwezig is. Beide stoffen worden daar dan vervolgens extra geproduceerd, waarna ze zich verspreiden over het omliggende gebied door diffusie. Als de inhibitor zich daarbij sneller verspreidt, zal dat betekenen dat de productie van beide stoffen in omliggende gebieden wordt afgeremd. Maar op de plek waar om te beginnen een overproductie was, zal de activator langer achterblijven dan de inhibitor.

Het effect versterkt zichzelf dus: daar waar door een kleine disbalans een klein overschot van de activerende stof aanwezig is, zal steeds meer van de activator aanwezig zijn. Daaromheen wordt de productie juist geremd. Er ontstaan kleine eilandjes: vlekken of strepen, of ribbels zoals in het gehemelte van muizen. Hoe die patronen er precies uit zullen zien hangt helemaal af van de vorm en de grootte van het oppervlak waarop zulke patronen zich vormen. Dieren hebben op de staart bijvoorbeeld vaak ringen terwijl ze op het rest van hun lijf vlekken hebben. Dat heeft alles te maken met de kleine omtrek van die staart.

De onderzoekers van King’s College claimen nu dat ze de eerste zijn die een experimenteel bewijs hebben leveren van Turings theorie, zo’n zestig jaar na dato. Overigens hebben ze hiermee een fantastische timing: het is dit jaar precies honderd jaar geleden dat Alan Turing geboren werd.

Deze post is geschreven door Charlotte Vlek.

foto Martin Pettitt