Waarom de zebra strepen heeft

Rudyard Kipling, de Engelse schrijver van Junglebook, publiceerde in 1902 zijn Just So Stories, verhaaltjes voor kinderen waarin hij onder andere uitlegt hoe het luipaard aan zijn vlekken is gekomen. Aanvankelijk, zo wil Kipling ons doen geloven, was deze namelijk egaal bruin, en wel het 'sandiest-yellowest-brownest animal' in heel het geelbruine veld. Omdat hij zo absoluut niet opviel, wist hij keer op keer een slachting aan te richten onder de andere beesten. Die trokken dan ook weg naar het oerwoud, dat vol was van 'stripy, speckly, patchy-blatchy shadows', waardoor ook zij dergelijke patronen kregen en plotseling onzichtbaar werden.

Ook het luipaard ging naar het woud. Op advies van de wijze baviaan besloot ook hij 'to go into spots', die hij door zijn jachtvriend de Ethiopiër op zijn vel liet schilderen. 'Maar maak ze niet zo vulgair groot, ik wil niet op Giraffe lijken!' En nog kun je in het vlekkenpatroon van de luipaard de vingers van de schilder herkennen.

Dat het in werkelijkheid de genen zijn die zebra en een tijger hun strepen geven, en de giraffe en luipaard vlekken, zal niemand verbazen. En dat er speciale pigmenten (de melanines) bij betrokken zijn, is misschien ook een open deur. Maar dat er hoogstwaarschijnlijk maar een enkel mechanisme ten grondslag ligt aan de enorme patronenrijkdom in de natuur, dat is iets wat maar weinigen weten. Toch was het al in de vroege jaren vijftig dat de beroemd wiskundige Alan Turing die juist dat vermoeden uitte, en hoewel hij zijn ideeën uitwerkte in een theoretisch model, begint nu pas op grond van uitgebreide waarnemingen en experimenten duidelijk te worden dat hij het wel eens bij het rechte eind kan hebben gehad.

Donker pigment

Turing is vooral bekend door zijn betrokkenheid bij de ontcijfering van geheime codes tijdens de Tweede Wereldoorlog, en door zijn inspanningen bij de ontwikkeling van de moderne computer. In 1952 schreef de Brit een artikel op het gebied van de theoretische biologie, getiteld On the Chemical Basis of Morphogenesis. Hierin postuleerde hij een scheikundig mechanisme waarmee het mogelijk zou zijn om het ontstaan van allerlei patronen in de natuur te verklaren.

Turing was op zoek naar het antwoord op een van de grootste raadsels in de biologie, het geheim van de morfogenese: hoe ordenen grote aantallen cellen zich in regelmatige patronen als de vijf armen van een zeester, of de schubben van een denneappel? Zijn revolutionaire idee was dat biologische vormen het resultaat zijn van concentratieverschillen van speciale chemicaliën, die hij morfogenen noemde. Deze reageren niet alleen met elkaar, maar verplaatsen zich ook van de ene cel naar de andere. Wanneer dit op de 'juiste' manier gebeurt, zo poneerde Turing, dan ontstaan uit een aanvankelijk gelijkmatige verdeling ruimtelijke concentratieverschillen en daarmee patronen. Hoewel tegenwoordig dergelijke reactie-diffusie modellen zijn verfijnd, zijn ze in essentie te herleiden tot Turings model.

Het simpelste voorbeeld van zo'n systeem bestaat uit twee morfogenen die met elkaar kunnen reageren en die zich met verschillende snelheden verplaatsen (diffunderen). Het ene, de activator, produceert een donker pigment. en het andere, de inhibitor, zorgt er juist voor dat geen pigment wordt gevormd. Als er verder, zodra de concentratie van de activator toeneemt, ook inhibitor wordt gevormd, en deze sneller diffundeert dan de activator, dan ontstaan er plaatselijk, midden in een zee van inhibitor, hoge activator-concentraties. Ter verduidelijking een analogie met een bosbrand. Stel dat er op willekeurige plaatsen branden ontstaan die zich naar buiten toe uitbreiden. Zodra er eentje wordt ontdekt, zullen brandweerlieden proberen het vuur met helikopters te snel af te zijn en het nog niet brandende bos met brandwerende chemicaliën te besproeien. Zo zal de bosbrand uiteindelijk beperkt blijven tot een aantal lokale vuurhaarden.

Vlekken mogen dan geen probleem zijn, maar, om met Kipling te spreken, hoe komt de zebra aan zijn strepen? Ook die zouden binnen het Turingmodel goed kunnen worden verklaard door de omgeving waarin de reactie zich afspeelt erbij te betrekken. Wanneer de dikte daarvan afneemt, veranderen de stippen 'spontaan' in strepen. De luipaard, het jachtluipaard (cheetah), de jaguar en de genetkat, allemaal katachtigen met een gevlekte vacht, vormen een prachtige illustratie van dit fenomeen. Waar de luipaard stippen heeft tot aan het puntje van zijn staart, is de staart van de cheetah en de jaguar ten dele gestreept en die van genetkat helemaal. Deze observaties stroken prachtig met wat bekend is over de embryonale structuur van deze vier katten. De prenatale luipaard heeft een korte dikke staart en die van het genetkat embryo is juist lang en dun. Overigens voorspelt hetzelfde model dat er geen gestreept dier bestaat met een gestippelde staart.

Nu is dat samenspel tussen activator en inhibitor prachtig, er moet wel aan erg veel voorwaarden tegelijk worden voldaan. Toch zijn er al lange tijd chemische reacties bekend waarbij dit het geval is. Een van de bekendste is wel de Belousov-Zhabotinskii-reactie. De twee Russische chemici naar wie deze reactie is vernoemd kwamen in 1967 op het idee om tijdens een zogenaamde klokreactie, waarbij de concentraties van de bij de reactie betrokken moleculen op een zeer regelmatige wijze fluctueren, niet te roeren. Zo ontstaan er de prachtigste patronen: langzaam uitbreidende kleurcirkels van chemische activiteit vormen concentrische patronen en af en toe ontstaan er zelfs roterende spiralen met soms wel drie tot vier armen.

Je zou bijna zeggen dat de moleculen 'weten' waar ze moeten zijn. Toch voldoet de BZ-reactie niet volledig aan de voorwaarden van Turing's model: dat zou immers moeten leiden tot (min of meer) stationaire structuren. Lang leek het erop dat het bij een aardige theoretische hypothese zou blijven en de naaste betrokkenen werden ongeduldig. In 1991 echter slaagden onderzoekers van de universiteit van Texas er voor het eerst in om Turing's ideeën ook experimenteel te verwezenlijken. Afhankelijk van de temperatuur van het reactiemengsel, ontstond uit een homogene verdeling van chemicaliën een stabiele, regelmatig gevormde twee-dimensionale stippenstructuur. Het eerste experimentele Turing-patroon was gevonden, zij het in een glazen schaaltje.

Lacune

Voor Turing's hypothese bleek veel te zeggen, maar het bleef wachten op het eerste dier waarvan overtuigend kon worden aangetoond dat de patronen echt het resultaat waren van zijn reactie-diffusie-model. In die lacune lijkt nu te zijn voorzien door het werk van Japanse onderzoekers van de universiteit van Kyoto (Nature, 31 aug.). Zij bestudeerden de strepen op de huid van een klein visje, Pomocanthus. Opvallend aan deze strepen is dat ze niet stabiel zijn. Waar de strepen op de huid van zoogdieren evenredig groter worden met de afmetingen van het dier, zitten die van Pomocanthus op een vaste afstand. Er vindt namelijk een voortdurende herschikking van patronen plaats.

Het mooie was nu dat een simulatieprogramma op basis van het Turing-model de nieuw gevormde patronen steeds correct wist te voorspellen. Simpel gezegd is er sprake van een soort staande golf, die uit evenwicht wordt gebracht door de groei van het visje. Voorlopig is het echter nog niet mogelijk gebleken om de verantwoordelijke moleculen, de activator en inhibitor, te identificeren, laat staan te isoleren, maar dat lijkt een kwestie van tijd. Wel konden schattingen worden gemaakt van hun diffusie-coëffici-enten, en die bleken van dezelfde ordegrootte te zijn als die van eiwitten in waterige oplossing.

Dat lijkt niet onaannemelijk. Het zou nu voor de uiteindelijke bevestiging van Turing's model goed zijn wanneer nog een aantal natuurlijke patronen gevonden wordt dat daaraan blijkt te gehoorzamen. Dat er veertig jaar na zijn eerste artikel nog altijd zoveel opwinding is onder biologen en chemici over Turings ideeën, geeft eens te meer aan wat voor een briljant wiskundige de Brit was, en welk een enorm verlies dat hij op 42-jarige leeftijd zich van het leven beroofde.