Чому у Zebrafish є смуги? Математична модель пояснює шаблон

Смуги поширені в нашому житті. Це досить простий зразок, який легко сприймати як належне.

Як прикладний математик, який вивчає, як закономірності формуються в природі, однак, я здивований смугастими візерунками, що данина носить по всьому тілу і плавцям.

Погляньте ближче на чорні та золоті смужки данио, і ви побачите різні кольорові пігментні клітини, десятки тисяч їх. Мені подобається уявляти ці клітини, як люди, що ходять у переповненій кімнаті: як і ми, клітини рухаються і взаємодіють зі своїми сусідами. Смуги з'являються тому, що клітини дуже ретельно інструктують і сигналізують один одному про те, як поводитися. Вони навіть "потискають руки" в певному сенсі, простягаючись до далеких клітин.

З математичної точки зору, смужки данифи потрапляють в поле самоорганізації, явище, в якому індивідууми взаємодіють, щоб створити деяку картину, набагато більшу, ніж будь-яка людина, без зовнішнього напрямку. Зграя птахів і шкільні риби також є прикладами самоорганізації в природі. Ніхто не стоїть на мегафоні, що викликує напрямки, щоб птиці зграя чи пігментні клітини виробляли рибні смуги, але, як не дивно, обидва вони організовуються для створення моделей.

Див. Також: Вчені перекривають одне конкуруюче пояснення для того, чому зебри мають смуги

До недавнього часу дослідницьке співтовариство вважало, що в смужку данистого беруть участь лише два типи клітин: чорні і золоті смуги, так чорні і золоті клітини. Однак експерименти показали, що третій тип пігментної клітини - синій і срібний іридофори - має вирішальне значення для формування структури. Видаліть його зі шкіри, а у рибок данио є плями!

Отже, як тисячі різних кольорових клітин на зростаючому зебіові працюють разом, щоб послідовно формувати смуги? Щоб допомогти відповісти на це питання, я розробив математичну модель у співпраці з професором прикладної математики Бьорном Сендстеде. У нашій моделі клітини пігменту є кольоровими крапками, що слідують за встановленими правилами і рівняннями для того, як вони рухаються, взаємодіють і змінюють свій колір. Клітини з різними кольорами ведуть себе по-різному. Є багато питань про зебрік, тому ми вирішили зосередитися на новачків на сцені: тих огидні блакитні і срібні клітини.

Математика пропонує іншу перспективу від типових біологічних експериментів на рибі. Біологи можуть спостерігати, як ведуть себе клітини, але складніше вивести сигнали, що стоять за їхньою поведінкою. Використовуючи математичні моделі, ми можемо перевірити безліч різних можливих взаємодій клітин і припустити, які з них можуть пояснити поведінку біологів. Потім біологи можуть перевірити наші прогнози на реальних рибах.

Наша модель передбачає наявність декількох сигналів на роботі, які інструктують сріблясті та сині клітини на шкірі риби. Всі ці сигнали є надлишковими. Кілька сигналів - це всі інструкції, які клітина може потребувати у досконалому світі, але світ не є досконалим. Наприклад, ми вважаємо, що поруч чорні клітини сигналізують іридофори, щоб змінити їх щільність і колір. Але якщо не існує жодних чорних осередків для передачі цього сигналу, віддалені клітини золота можуть заповнити і дати ті ж самі інструкції.

Дивіться також: Перше відео з глибоко морського сексу рибалки, що робить місіонерський погляд кривавим

Ви можете думати про ці надлишкові сигнали, як купу різних будильників. Якщо у вас є важлива зустріч вранці, ви можете встановити будильник, покласти повідомлення на свій телефон і попросити виклик будильника. Все, що надмірність означає, що ви, ймовірно, отримаєте купу київ прокинутися. Проте, за відсутності шансів, що ваш телефон помирає, або ресепшн забуде подзвонити, це також означає, що ви все одно отримаєте час на зустріч. Надмірність забезпечує бажаний результат, навіть якщо один сигнал виходить з ладу.

Така ж ідея може бути на роботі у данио. Наша модель припускає, що клітини різного кольору постійно інструктують один одного. Це гарантує, що сині і срібні іридофори розгойдуться з напрямками з усіх сторін про те, як поводитися. Оскільки існує кілька сигналів, випадкові невдачі не перешкоджають занадто багато моделей. Результат: надійні смуги.

Чому це важливо? Гени зебрафи дивно схожі на гени людини. Розуміючи, як пігментні клітини взаємодіють у нормальному та мутованому данио, дослідники можуть почати зв'язувати гени з їх функцією.

Розповідь про те, як форма риби данио ще не закінчена. Хоча зараз, коли наступного разу ви побачите смугасту рибу, подумайте про паузу, щоб розпізнати всі робочі пігментні клітини, створені для створення цієї картини. Ці надійні смуги є чертовски дивовижні.

Ця стаття була спочатку опублікована на The Conversation by Alexandria Volkening. Читайте оригінальну статтю тут.