Een systeem voorgesteld door Alan Turing, de codekraker uit de Tweede Wereldoorlog, meer dan 60 jaar geleden, kan het patroon verklaren van tandachtige schubben die bezeten zijn door haaien, volgens nieuw onderzoek.

Wetenschappers van de afdeling Dier- en Plantenwetenschappen van de Universiteit van Sheffield ontdekten dat de reactie-diffusietheorie van Turing - algemeen aanvaard als de patroonvormingsmethode in muishaar en kippenveren - ook van toepassing is op haaienschubben.

De bevindingen kunnen verklaren hoe het patroon van haaienschubben is geëvolueerd om de weerstand tijdens het zwemmen te verminderen, waardoor energie wordt bespaard tijdens het bewegen. Wetenschappers geloven dat het bestuderen van de patronen kan helpen bij het ontwerpen van nieuwe, op haaien geïnspireerde materialen om de energie- en transportefficiëntie te verbeteren.

Turing, voorvader van de computer, kwam met het reactie-diffusiesysteem dat in 1952 werd gepubliceerd, twee jaar voor zijn dood. Zijn vergelijkingen beschrijven hoe moleculaire signalen kunnen interageren om complexe patronen te vormen.

In de krant, vandaag gepubliceerd in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang , onderzoekers vergeleken de patronen van haaienschubben met die van kippenveren.

Ze ontdekten dat dezelfde kerngenen die ten grondslag liggen aan het patroon van veren ook ten grondslag liggen aan de ontwikkeling van haaienschubben en suggereren dat deze genen mogelijk betrokken zijn bij het patroon van andere verschillende huidstructuren van gewervelde dieren, zoals stekels en tanden.

Dr Gareth Fraser, voorheen van de Universiteit van Sheffield en nu aan de Universiteit van Florida, zei:"We begonnen te kijken naar kuikens en hoe ze hun veren ontwikkelen. We vonden deze zeer mooie lijnen van genexpressie dat patroon waar deze vlekken verschijnen die uiteindelijk uitgroeien tot veren. We dachten dat de haai misschien iets soortgelijks doet, en we vonden twee rijen op het dorsale oppervlak, die het hele proces starten.

"We werkten samen met een wiskundige om erachter te komen wat het patroon is en of we het kunnen modelleren. We ontdekten dat haaienhuidtanden precies worden gevormd door een reeks vergelijkingen die Alan Turing - de wiskundige, computerwetenschapper en de codebreker - bedacht.

"Deze vergelijkingen beschrijven hoe bepaalde chemicaliën op elkaar inwerken tijdens de ontwikkeling van dieren en we ontdekten dat deze vergelijkingen de patroonvorming van deze eenheden verklaren."

Onderzoekers hebben ook aangetoond hoe het aanpassen van de invoer van het Turing-systeem kan resulteren in verschillende schaalpatronen die vergelijkbaar zijn met die van haaien- en roggensoorten die tegenwoordig leven.

Ze suggereren dat natuurlijke variaties in Turing's systeem de evolutie van verschillende eigenschappen binnen deze dieren mogelijk hebben gemaakt, inclusief het verstrekken van weerstandsvermindering en defensieve bepantsering.

Rory Kuiper, doctoraat student aan de Universiteit van Sheffield, zei:"Haaien behoren tot een oude groep gewervelde dieren, lang gescheiden van de meeste andere gewervelde dieren met kaken. Door hun ontwikkeling te bestuderen, krijgen we een idee van hoe huidstructuren er vroeg in de evolutie van gewervelde dieren uit hebben gezien.

"We wilden leren over de ontwikkelingsprocessen die bepalen hoe deze verschillende structuren worden gevormd, en dus de processen die hun verschillende functies vergemakkelijken."

Wetenschappers gebruikten een combinatie van technieken, waaronder reactie-diffusiemodellering om een ​​simulatie te maken op basis van Turing's vergelijkingen, om aan te tonen dat zijn systeem het patroon van haaienschubben kan verklaren, wanneer de parameters correct zijn afgestemd.

De heer Cooper voegde toe:"Wetenschappers en ingenieurs hebben geprobeerd om op haaienhuid geïnspireerde materialen te maken om de weerstand te verminderen en de efficiëntie tijdens het voortbewegen te verhogen, van zowel mensen als voertuigen, voor vele jaren.

"Onze bevindingen helpen ons te begrijpen hoe haaienschubben zijn gevormd, wat essentieel is om hun functie bij het verminderen van weerstand mogelijk te maken.

Daarom, dit onderzoek helpt ons te begrijpen hoe deze weerstandsverlagende eigenschappen voor het eerst ontstonden bij haaien, en hoe ze veranderen tussen verschillende soorten."

Patroonvorming is een belangrijk aspect dat bijdraagt ​​aan het verminderen van de weerstand bij bepaalde haaiensoorten. Een andere is de vorm van individuele schalen. Onderzoekers willen nu de ontwikkelingsprocessen onderzoeken die ten grondslag liggen aan de variatie in vorm, zowel binnen als tussen verschillende haaiensoorten.

"Begrijpen hoe beide factoren bijdragen aan het verminderen van luchtweerstand, zal hopelijk leiden tot de productie van verbeterde, breed toepasbare, op haaien geïnspireerde materialen die weerstand kunnen verminderen en energie kunnen besparen, ’ voegde meneer Kuiper eraan toe.