Złożone wzorce zwierzęce: nowe badanie może odpowiedzieć na to pytanie

Zapisz się na biuletyn naukowy CNN dotyczący teorii cudów. Eksploruj wszechświat dzięki wiadomościom o fascynujących odkryciach, postępach naukowych i nie tylko.

CNN
—

Uderzająco wzorzystemu boxfishowi nie brakuje szczegółów, jeśli chodzi o sześciokątne plamki i ostre linie – skomplikowane oznaczenia są u tego gatunku tak ostre, że nawet inżynierowie z Uniwersytetu Colorado w Boulder byli zaskoczeni. O tym, jak uzyskać ten charakterystyczny wygląd.

Alan Turing, słynny matematyk, twórca nowoczesnych komputerów, zaproponował ponad 70 lat temu, że zwierzęta uzyskują swoje wzorce poprzez wytwarzanie środków chemicznych, które rozprzestrzeniają się przez tkankę skóry, podobnie jak rozprzestrzenia się śmietanka do kawy. Substancje chemiczne będą reagować, podczas gdy inne czynniki hamują ich działanie, tworząc wzór. Jednak teoria Turinga nie wyjaśniała, w jaki sposób wzorce pozostaną specyficzne u gatunków takich jak ozdobny boxfish.

W nowym opublikowanym badaniu zespół inżynierów z Uniwersytetu Kolorado w Boulder odkrył, w jaki sposób mechanizm zwany fotoforezą dyfuzyjną może tworzyć ostre wzory Środa w Postępach Nauki. Proces elektroforezy dyfuzyjnej opisuje ruch cząsteczek zawieszonych w cieczy w odpowiedzi na a Gradient stężenia oddzielnej substancji chemicznej, powodując, że małe cząsteczki, w tym przypadku chromatofory (komórki pigmentowe), skupiają się i zlepiają.

Kiedy naukowcy obliczyli równanie Turinga zmodyfikowane w celu uwzględnienia tego procesu, utworzone przez nich symulacje wykazały, że ścieżka cząstek zawsze tworzyła szerokie linie, w przeciwieństwie do niewyraźnych, nieokreślonych plam, które tworzyłaby sama teoria Turinga.

„Zaintrygowało nas to, że jeśli jest to zjawisko powszechne, wzory nie powinny być tak ostre… a kolory nie powinny być tak uderzające” – stwierdził współautor badania. Ankura Guptę, adiunkt inżynierii chemicznej i biologicznej na Uniwersytecie Colorado Boulder. „Co zatem nadaje tym wzorom tak niesamowitą ostrość? Tutaj z pomocą przychodzi elektroforeza dyfuzyjna.”

Odkrycia inżynierów sugerują, że w miarę rozprzestrzeniania się środków chemicznych tworzą się chromatofory Są one także przeciągane po swojej drodze w procesie elektroforezy dyfuzyjnej, tworząc plamy i linie o wyraźniej zarysowanym zarysie. Według komunikatu prasowego Na studiach.

Gupta wyraził nadzieję, że odkrycia przyczynią się do dalszych badań nad forezą dyfuzyjną w odniesieniu do embriogenezy i nowotworzenia, a także morfogenezy i procesów biologicznych innych gatunków.

„Pomysł zaostrzenia interfejsów jest dobrym pomysłem i z pewnością jest ważny dla funkcji biologicznych” – powiedział. Doktor Andrzej Krauseadiunkt matematyki stosowanej na Uniwersytecie w Durham w Wielkiej Brytanii Przestudiuj teorię Turingaw e-mailu.

„Idee matematyczne, takie jak dyfuzja, często prowadzą do „gładkich” lub ciągłych interfejsów, podczas gdy większość granic w tkankach biologicznych (na przykład granice między narządami) jest stosunkowo sztywna” – powiedział Kraus, który nie był zaangażowany w badanie. „W przynajmniej jeden możliwy sposób na wyostrzenie regionów ekspresji genów.”

Hipoteza Turinga pojawiła się po raz pierwszy w 1952 roku w artykule zatytułowanym „Chemiczne podstawy morfogenezy”. Jego teoria głosiła, że ​​wzory zwierzęce nie były przypadkowe, ale raczej proces reakcji chemicznej i rozprzestrzeniania się, który – według jego teorii – systematycznie prowadził do pojawiania się plam na lampartach lub pasków na lampartach. Uniwersytetu w Warwick.

Chociaż proces dyfuzji jest proponowaną modyfikacją mającą na celu udoskonalenie teorii Turinga w oparciu o niedawne badania, możliwe mogą być inne rozwiązania, powiedział. Jeremy’ego Greenaprofesor biologii rozwojowej w King’s College London.

„Komórki są bardzo lepkie i mało prawdopodobne jest, aby poruszały się w wyniku elektroforezy dyfuzyjnej” – powiedział w e-mailu Green, który nie był zaangażowany w badanie. „Ruch komórek w celu wyostrzenia wzoru Turinga (lub w istocie jakiejkolwiek granicy) nie jest nowym pomysłem i może zachodzić nie tylko w wyniku chemotaksji (aktywnej migracji komórek), ale także w wyniku innych mechanizmów”.

Green stwierdził, że jego zdaniem badanie może mieć wpływ na przyszłe modelowanie i eksperymenty, jednak w teorii Turinga nadal istnieją luki, które należy jeszcze zbadać. Greena, współautorka A Badanie z lutego 2012 r Który znalazł dowody na poparcie teorii Turinga, jeśli chodzi o guzki na podniebieniu myszy.

„W naszych badaniach rozważaliśmy inne możliwości i potwierdziliśmy istnienie procesów takich jak chemotaksja, czyli migracja komórek” – napisał Gupta w e-mailu. „Nie zamierzamy twierdzić, że fotoforeza dyfuzyjna jest jedynym mechanizmem, ale raczej, że istnieje i nie została odpowiednio doceniona. Uwzględnienie dyfuzji pomaga poprawić wiarygodność takich przewidywań. ”