Prečo Zebrafish majú pruhy? Matematický model Vysvetľuje Vzor

Pruhy sú bežné v našich životoch. Je to veľmi jednoduchý model a ľahko sa berie ako samozrejmosť.

Ako aplikovaný matematik, ktorý študuje, ako sa formujú formy v prírode, som však ohromený pruhovanými vzormi, ktoré nosí zebrafish cez svoje telo a plutvy.

Pozrite sa bližšie na čierne a zlaté pruhy zebrafish a uvidíte rôzne farebné pigmentové bunky, desiatky tisíc z nich. Páči sa mi predstaviť si tieto bunky ako ľudia chodiaci v preplnenej miestnosti: Tak ako my, aj bunky sa pohybujú a komunikujú so svojimi susedmi. Pruhy sa objavujú, pretože bunky sa veľmi opatrne poučujú a signalizujú, ako sa majú správať. Dokonca „potriasajú ruky“ v istom zmysle tým, že sa dostanú k vzdialeným bunkám.

Z matematického hľadiska spadajú pruhy zebrafish do oblasti samoorganizácie, fenoménu, v ktorom jednotlivci vzájomne pôsobia, aby produkovali nejaký vzor oveľa väčší ako každý jednotlivec, bez vonkajšieho smeru. Vtáčie kŕdle a školské ryby sú tiež príkladmi vlastnej organizácie v prírode. Nikto nie je na megafóne volajúcom smerom, aby sa vtáky kŕmili alebo pigmentové bunky produkovali rybie pruhy, ale pozoruhodne sa obaja organizujú, aby vytvárali vzory.

Pozri tiež: Vedci Cross Out jeden konkurenčné vysvetlenie Prečo Prečo Zebry majú pruhy

Až donedávna sa výskumná komunita domnievala, že do pruhov zebrafish boli zapojené iba dva typy buniek: čierne a zlaté pruhy, teda čierne a zlaté bunky. Experimenty však ukázali, že tretí typ pigmentových buniek - modrých a strieborných iridofórov - je rozhodujúci pre tvorbu vzorov. Odstráňte ju z kože a zebrafish majú škvrny!

Tak, ako sa tisíce rôznych-farebných buniek na rastúce zebrafish spolupracovať, aby konzistentne tvoriť pruhy? Na pomoc pri odpovedi na túto otázku som vytvoril matematický model v spolupráci s profesorom aplikovanej matematiky Bjorn Sandstede. V našom modeli sú pigmentové bunky farebnými bodkami podľa predpísaných pravidiel a rovníc, ako sa pohybujú, vzájomne ovplyvňujú a menia svoju farbu. Bunky s rôznymi farbami sa správajú rôznymi spôsobmi. Existuje mnoho otázok o zebrafish, tak sme sa rozhodli zamerať na nováčikov na scénu: tie otravné modré a strieborné bunky.

Matematika ponúka inú perspektívu ako typické biologické experimenty na rybách. Biológovia môžu sledovať, ako sa bunky chovajú, ale je zložitejšie odvodiť signály za ich správaním. Pomocou matematických modelov môžeme testovať množstvo rôznych možných interakcií buniek a navrhnúť, ktoré z nich sú skutočne schopné vysvetliť správanie, ktoré biológovia pozorujú. Biológovia potom môžu otestovať naše predpovede na skutočných rybách.

Náš model naznačuje, že existuje viacero signálov pri práci, ktoré poučujú strieborné a modré bunky na rybej koži. Všetky tieto signály sú nadbytočné. Niekoľko podnetov sú všetky inštrukcie, ktoré môže bunka potrebovať v dokonalom svete, ale svet nie je dokonalý. Napríklad si myslíme, že blízke čierne bunky signalizujú iridofóry, aby zmenili svoju hustotu a farbu. Ak však nie sú žiadne čierne bunky, ktoré by prenášali tento signál, vzdialené zlaté bunky môžu vyplniť a poskytnúť rovnaké pokyny.

Pozri tiež: Prvé video z hlbokomorského lovca morských rýb robí z misionárskeho vzhľadu honosné

Môžete premýšľať o týchto nadbytočných signáloch ako o partii rôznych budíkov. Ak máte v dopoludňajších hodinách dôležité stretnutie, môžete nastaviť budík, dať do telefónu upozornenie a požiadať o budenie. Všetko, čo redundancia znamená, že budete pravdepodobne dostať veľa narážok prebudiť. Ale v prípade, že váš telefón zomrie, alebo na recepcii zabudne volať, znamená to tiež, že sa na schôdzku stále dostanete včas. Redundancia zabezpečuje požadovaný výsledok, aj keď jeden signál zlyhá.

Rovnaká myšlienka môže byť pri práci v zebrafish. Náš model naznačuje, že rôzne farebné bunky sa navzájom neustále poučujú. To zaisťuje, že modré a strieborné iridofóry sú preháňané pokynmi zo všetkých strán, ako sa správať. Pretože existuje viacero signálov, príležitostné zlyhania nenarušujú príliš veľa modelov. Výsledok: spoľahlivé pruhy.

Prečo je to dôležité? Gény zebrafish sú prekvapivo podobné ľudským génom. Po pochopení interakcie pigmentových buniek v normálnom a mutovanom zebreči môžu výskumníci začať spájať gény s ich funkciou.

Príbeh o tom, ako vyzerá vzorka zebrafish, ešte nie je dokončený. Pre túto chvíľu, keď nabudúce uvidíte pruhovanú rybu, zvážte pozastavenie chvíle, aby ste rozpoznali všetky pracovné pigmentové bunky vložené do vytvorenia tohto vzoru. Tie spoľahlivé pruhy sú sakramentsky úžasné.

Tento článok bol pôvodne publikovaný na The Conversation Alexandria Volkening. Prečítajte si pôvodný článok.