Roots-lezer Harm IJdema was op reis in Tanzania. Daar maakte hij onderstaande foto van een kudde zebra’s. Thuis viel hem op dat een van de zebra’s in de foto ‘niet helemaal af was’. Zoogdier-expert Jasja Dekker verklaart hoe dat kan.
Allereerst is het belangrijk te weten hoe die strepen worden gevormd. Het is niet zo dat de kleurpatronen op zebra’s, jaguars, giraffes, koeien of kogelvissen, streepje voor streepje of vlekje voor vlekje in het DNA zijn gecodeerd. Het werkt veel mooier: niet de patronen zelf zijn gecodeerd, maar het chemisch proces dat de patronen maakt.
Waarom hebben zebra’s eigenlijk strepen? Er zijn vijf hypotheses: ze dienen als camouflage, als verwarring voor predatoren, om af te koelen en op te warmen, om elkaar te herkennen of om insecten af te weren. Experimenten wijzen nu in de richting van de laatste verklaring. Foto: Harm IJdema
De patronen ontstaan door een proces dat reactie-diffusie heet. Dat principe werd voor het eerst uitgewerkt door de beroemde wiskundige Alan Turing. Hij bedacht de logica die de basis vormt van computers, voordat die bestonden. Vervolgens kraakte hij in de Tweede wereldoorlog de Enigma-geheimcode van de Duitsers. Later richtte hij zich op het nog verse werkveld van mathematische biologie.
Twee kleuren
Bij reactie-diffusie zijn er twee stoffen die op elkaar inwerken: een activator en een remmer. De activator zorgt voor meer aanmaak van zichzelf. De remmer zorgt voor minder aanmaak. Afhankelijk van de concentraties van de twee stoffen geeft dat een uitkomst: veel activator, of geen activator. Veel reactor zorgt voor een kleuring, bij geen reactor is er geen (of een andere) kleur. Dat is het reactiedeel van de reactie-diffusie.
Maar dan heb je nog geen strepen of stippen. Daarvoor is de diffusie nodig. Beide stoffen bewegen zich spontaan vanuit pigmentcellen door de cellen van bijvoorbeeld de huid van de zich ontwikkelende zebra. Denk aan een klontje suiker in een kop thee. De suiker verdeelt zich gelijk over de thee: diffusie. Tijdens het verspreiden krijgt in de ene cel de activator de overhand en in een andere de remmer. Dat zorgt voor de twee kleuren.
Geen zebra hetzelfde
Turing werkte dit systeem uit in een aantal wiskundige formules en ontdekte dat verschillende snelheden van diffusie zorgen voor verschillende patronen. Zo ontstaan zonder ingewikkelde genetische instructies strepen, vlekken of nog complexere patronen. Het is trouwens gebleken dat een zebra zwart is en de witte strepen bij de embryo’s ontstaan. Zebra’s zijn dus zwart met witte strepen.
Toen Turing dit uitwerkte in de jaren 50 van de vorige eeuw gingen de berekeningen nog met de hand. Maar intussen zijn de formules van Turing en zijn opvolgers in computerprogramma’s verwerkt en kun je zelfs op internet die programma’s laten draaien en zie je de mooiste patronen ontstaan via die eenvoudige regels van reactie-diffusie. Kijk hier maar eens: pmneila.github.io/jsexp/grayscott. Je kunt daarbij ook zien dat een iets andere beginsituatie ook andere strepen geeft. Daarom zijn de patronen op verschillende zebra’s nooit helemaal gelijk.
Maar terug naar deze zebra met ontbrekende vlekken. Wat is er nu aan de hand met deze zebra? Het lijkt erop dat bij de ontwikkeling van de zebra in de baarmoeder de diffusie van stoffen geblokkeerd was. En zonder diffusie geen strepen.
