Kāpēc Zebrafish ir svītras? Matemātikas modelis izskaidro modeli

Svītras ir izplatītas mūsu dzīvē. Tas ir diezgan pamata modelis, un to ir viegli uztvert par pašsaprotamu.

Kā lietišķs matemātiķis, kurš mācās, kā raksturs veidojas dabā, es esmu uzvarējis ar svītrām, kuras zebrafs nēsā pāri ķermenim un spurām.

Pievērsiet uzmanību zebrafa melnajām un zelta svītrām, un jūs redzēsiet dažādas krāsas pigmenta šūnas, desmitiem tūkstošu. Man patīk iedomāties šīs šūnas kā cilvēki, kas staigā pārpildītā telpā: tāpat kā mēs, šūnas pārvietojas un mijiedarbojas ar saviem kaimiņiem. Svītras parādās, jo šūnas ļoti uzmanīgi māca un signalizē viena otru par to, kā rīkoties. Viņi pat „sakrata” kādā ziņā, sasniedzot attālinātas šūnas.

No matemātikas viedokļa, zebraudu svītras ietilpst pašorganizācijas jomā, parādība, kurā indivīdi mijiedarbojas, lai radītu daudz lielāku modeli nekā jebkura persona, bez ārējā virziena. Putnu ganāmpulki un zivju audzēšana ir arī pašorganizācijas piemēri dabā. Neviens nav uz megafona, izsaucot virzienus tā, lai putnu ganāmpulki vai pigmenta šūnas ražotu zivju svītras, tomēr ievērojami tās organizē sevi, lai radītu modeļus.

Skatiet arī: Zinātnieki šķērso vienu konkurējošu skaidrojumu, kāpēc Zebras ir svītras

Vēl nesen pētnieku kopiena uzskatīja, ka zebras svītrās bija iesaistīti tikai divu veidu šūnas: melnās un zelta joslas, tātad melnās un zelta šūnas. Tomēr eksperimenti parādīja, ka trešais pigmenta šūnu veids - zilā un sudraba iridofori - ir būtisks faktors veidošanās procesā. Noņemiet to no ādas un zebraķiem ir plankumi!

Tātad, kā tūkstošiem dažādu krāsu šūnu augošajā zebrainā strādā kopā, lai konsekventi veidotu svītras? Lai palīdzētu atbildēt uz šo jautājumu, es izstrādāju matemātisku modeli sadarbībā ar lietišķās matemātikas profesoru Bjorn Sandstede. Mūsu modelī pigmenta šūnas ir krāsaini punktiņi, kas atbilst noteiktiem noteikumiem un vienādojumiem, kā viņi pārvietojas, mijiedarbojas un maina krāsu. Šūnas ar dažādām krāsām uzvedas dažādos veidos. Ir daudz jautājumu par zebraudu, tāpēc mēs nolēmām koncentrēties uz jaunajiem dalībniekiem uz skatuves: tiem nepatīkamajiem zilajiem un sudraba elementiem.

Matemātika piedāvā atšķirīgu perspektīvu no tipiskiem bioloģiskiem eksperimentiem ar zivīm. Biologi var skatīties, kā šūnas uzvedas, bet ir sarežģītāk secināt signālus, kas ir aiz viņu uzvedības. Izmantojot matemātiskos modeļus, mēs varam pārbaudīt daudzas dažādas iespējamās šūnu mijiedarbības un ieteikt, kuras no tām faktiski spēj izskaidrot bioloģisko uzvedību. Biologi var pārbaudīt mūsu prognozes par reālām zivīm.

Mūsu modelis liecina, ka darbā ir vairāki signāli, kas dod norādījumus sudraba un zilās šūnas uz zivju ādas. Visi šie signāli ir lieki. Dažas norādes ir visas norādes, kas šūnai var būt nepieciešamas perfektā pasaulē, bet pasaule nav perfekta. Piemēram, mēs domājam, ka tuvumā esošās melnās šūnas signalizē iridoforus, lai mainītu to blīvumu un krāsu. Bet, ja nav nevienas melnas šūnas, lai pārraidītu šo signālu, attālās zelta šūnas var aizpildīt un sniegt tādas pašas instrukcijas.

Skatiet arī: Pirmo reizi video par dziļjūras zivju mazuļu dzimumu dzimumu padara misionāru izskatu bezgaumīgu

Jūs varat domāt par šiem liekajiem signāliem, piemēram, dažādiem modinātājiem. Ja jums ir svarīga sanāksme no rīta, varat iestatīt modinātāju, ievietot paziņojumu tālrunī un pieprasīt modināšanas zvanu. Viss, ko liek atlaist, nozīmē, ka jūs, iespējams, saņemsiet ķekars, lai pamosties. Bet, ja jūsu tālrunis mirst, vai arī reģistratūra aizmirst zvanīt, tas arī nozīmē, ka jūs savlaicīgi nokļūsiet savā sanāksmē. Atlaišana nodrošina vēlamo rezultātu, pat ja viens signāls neizdodas.

Tāda pati ideja var būt strādāt arī zebrainā. Mūsu modelis liecina, ka dažādas krāsas šūnas pastāvīgi māca viena otru. Tas nodrošina, ka zilā un sudraba iridofori tiek virzīti no visām pusēm, kā rīkoties. Tā kā ir vairāki signāli, gadījuma rakstura kļūmes netraucē pārmērīgus modeļus. Rezultāts: uzticamas svītras.

Kāpēc tas ir svarīgi? Zebrafa gēni ir pārsteidzoši līdzīgi cilvēka gēniem. Izprotot, kā pigmenta šūnas mijiedarbojas normālos un mutētos zebraķos, pētnieki var sākt gēnu sasaisti ar to funkciju.

Stāsts par to, kā zebrafa raksti vēl nav pabeigti. Tomēr tagad, nākamajā reizē, kad redzat svītrainām zivīm, apsveriet brīdi, lai apturētu visus darba pigmenta šūnas, kas ievietotas šī modeļa izveidē. Šīs uzticamās svītras ir diezgan pārsteidzošas.

Šis raksts sākotnēji tika publicēts Aleksandrijas Volkeningas sarunā. Lasiet oriģinālo rakstu šeit.