Математики обнаружили странную связь между полосками зебры и хвостами сперматозоидов
Куда бы они ни посмотрели, математики, кажется, находят закономерности в природе. Но странная связь между тем, как формируются полосы зебры, и тем, как плавают сперматозоиды, почти настолько же странна, насколько это возможно.
Опираясь на то, как, как полагают, полосы и пятна формируются у таких разнообразных организмов, как зебра и гигантская рыба-фугу, исследователи проанализировали анимированные узоры, создаваемые жужжащими жгутиками сперматозоидов.
Работа восходит к Алану Тьюрингу, английскому математику, который, помимо прочего, например, взлома кодов, предложил идею о том, как возникают волнистые или пятнистые узоры. в природе.
Тьюринг описал то, что сейчас известно как системы реакции-диффузии, чтобы предположить, что формирование биологического паттерна может быть результатом реакции двух молекул, диффундирующих в пространстве.
«В 1952 году «Тьюринг открыл реакционно-диффузионную основу химических структур», — говорит Гермес Блумфилд-Гаделья, прикладной математик и инженер по робототехнике из Бристольского университета в Великобритании, который завершил исследование вместе с аспирантом Джеймсом Кассом.
«Мы показываем, что «атом» движения в клеточном мире, жгутик, вместо этого использует шаблон Тьюринга для формирования моделей движения, приводящих в движение хвост, который толкает сперму вперед».
Прежде чем продолжить. Кроме того, стоит отметить, что, несмотря на мастерство Тьюринга, модели реакции-диффузии уже давно обсуждаются, и биологи-экспериментаторы задаются вопросом, насколько они реалистичны. Как и любая математическая модель, они упрощают сложную природу до нескольких параметров.
Тем не менее, математические модели могут быть полезным инструментом для концептуализации сложного поведения, такого как поворотное движение хвоста сперматозоида, жгутика.
«Изолируя основные элементы биения жгутиков в минимальной модели, мы обнаружили, что динамика реакции-диффузии хорошо объясняет наблюдаемые закономерности биения жгутиков», — объясняют Касс и Блумфилд-Гаделья в своей статье.
«Колебательная динамика аналогична той, которая наблюдается в химических системах».
Вместо химических веществ, свободно реагирующих и диффундирующих в пространстве, Касс и Блумфилд-Гаделья описывают «перетягивание» «кинетика реакции войны» молекулярных моторов, закрепленных в жгутиковой структуре, и создаваемая ими сдвиговая деформация, которая распространяется вниз по тонким, гибким придаткам.
Другими словами, биение жгутика начинается с молекулярных двигателей в его основании и создает колебания. которые волнами разрушают его гибкую структуру. Этот процесс можно смоделировать с помощью динамики реакции-диффузии, и, как вы можете видеть на изображении выше, эти движения создают полосообразные узоры.
Однако, признавая ограничения своей модели, исследователи сделали еще один шаг. далее, сравнивая свои модели с экспериментальными данными опубликованных исследований спермы и Chlamydomonas reinhardtii, представляющей собой одноклеточную зеленую водоросль.
Недавние исследования показали, насколько сложны эти махинации. сперматозоидов, описывают аксонему, молекулярную машину, обеспечивающую подвижность жгутиков и сперматозоидов, как «настоящего молекулярного бегемота, состоящего из сотен различных белков».
Тем не менее, Касс и Блумфилд-Гаделья нашли свою упрощенную модель Механика жгутиков в достаточной степени отражает движение жгутиков, создавая структуру биения, имитирующую таковую у эукариотических жгутиков.
«Мы показываем, что этому математическому «рецепту» следуют два очень далеких вида — сперма быка и Chlamydomonas, зеленые водоросли, которые используются в качестве модельный организм в науке, что позволяет предположить, что природа повторяет подобные решения», — говорит Блумфилд-Гаделья.
Хотя эти модели могут показаться тривиальной забавой, моделирование механизмов жгутиков сперматозоидов может иметь серьезные последствия для нашего понимания подвижность сперматозоидов, влияющая на мужскую фертильность.
Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.
