Mathematiker finden seltsame Verbindung zwischen Zebrastreifen und Spermienschwänzen: ScienceAlert

Mathematiker finden seltsame Verbindung zwischen Zebrastreifen und Spermienschwänzen: ScienceAlert

Überall, wo Mathematiker hinschauen, scheinen sie Muster in der Natur zu finden. Aber der seltsame Zusammenhang zwischen der Entstehung von Zebrastreifen und der Art und Weise, wie Spermien schwimmen, ist fast so seltsam, wie es nur geht.

Wir orientieren uns daran, wie sich Streifen und Flecken bei so unterschiedlichen Lebewesen wie Zebras und Zebras bilden Riesiger KugelfischDie Forscher analysierten die Bewegungsmuster der Spermiengeißeln.

Die Arbeit geht zurück auf Alan Turingein englischer Mathematiker, der unter anderem Codes entschlüsselt, Schlagen Sie eine Idee vor Wie Zickzack- oder unregelmäßige Muster in der Natur vorkommen.

Turing beschrieb, was heute als Reaktions-Diffusions-Systeme bekannt ist, und schlug vor, dass biologische Muster einfach aus der Wechselwirkung zweier über den Raum verteilter Moleküle resultieren könnten.

„1952 enthüllte Turing die Grundlage der Reaktion und Diffusion chemischer Muster.“ sagen Hermes Bloomfield-Gadelha, ein angewandter Mathematiker und Robotik-Ingenieur an der Universität Bristol im Vereinigten Königreich, der die Forschung zusammen mit dem Doktoranden James Cass abgeschlossen hat.

„Wir haben gezeigt, dass das ‚Atom‘ der Bewegung in der Zellwelt, das Flagellum, eine Turing-Vorlage verwendet, um die Bewegungsmuster zu bilden, die die Schwanzbewegung antreiben, die die Spermien vorwärts treibt.“

Bevor wir weitermachen, sollte angemerkt werden, dass es trotz Turings Einfallsreichtum Interaktions-Diffusions-Modelle gibt Diskutieren Sie lange, wobei Experimentalbiologen bezweifeln, wie realistisch diese Ergebnisse sind. Wie jedes mathematische Modell vereinfachen sie die Komplexität der Natur auf einige wenige Faktoren.

Allerdings können mathematische Modelle ein nützliches Werkzeug zur Visualisierung komplexer Verhaltensweisen sein, wie etwa der Rotationsbewegung des Schwanzes des Spermiums, der Geißel.

„Durch die Isolierung der Grundelemente von Schleudertrauma-Schlägen in einem Miniaturmodell haben wir herausgefunden, dass die Dynamik der Reaktionsausbreitung die beobachteten Schleudertrauma-Muster gut erklärt“, sagten Cass und Bloomfield-Gadelha. erklärt in ihrer Arbeit.

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„Die Schwingungsdynamik ähnelt der in chemischen Systemen beobachteten.“

Anstatt dass chemische Spezies frei reagieren und sich im Weltraum ausbreiten, taten dies Cass und Bloomfield-Gadelha Beschreiben Es handelt sich um die „Tauziehen-Reaktionskinetik“ der in der Flagellumstruktur eingebauten molekularen Motoren und die von ihnen erzeugte Scherverformung, die sich weit entlang der schlanken, gebogenen Fortsätze ausbreitet.

Reaktionsdiffusionsregime führen in Simulationen zu Streifenmustern (a. zentraler Bereich), die Zebrastreifen ähneln und die wellenartige Bewegung des Flagellums erklären können (b). Menschen (H. gesund), Stier (B. Stier(Seeigel)S. purpura(Sperma, Grünalgen)Jim Reinharty). (Cass und Bloomfield-Gadelha, Naturkommunikation2023)

Mit anderen Worten: Die Peitschenschlagbewegung beginnt mit Molekulare Motoren an seiner Basis Es erzeugt Schwingungen, die in Form von Wellen auf seine elastische Struktur einwirken. Dieser Prozess kann mithilfe der Reaktionsdiffusionsdynamik modelliert werden. Wie Sie im Bild oben sehen können, erzeugen diese Bewegungen bandartige Muster.

Da die Forscher jedoch die Grenzen ihres Modells erkannten, gingen sie noch einen Schritt weiter und verglichen ihre Simulationen mit experimentellen Daten aus veröffentlichten Studien für Spermien und Chlamydomonas reinhardtii, Es handelt sich um eine einzellige Grünalge.

Moderne Studien Sie enthüllte die Komplexität der Machenschaften der Spermien und beschrieb das Axonem, die molekulare Maschinerie, die das Flagellum und die Beweglichkeit der Spermien antreibt, als „einen wahren molekularen Koloss, der aus Hunderten verschiedener Proteine ​​besteht.“

Cass und Bloomfield-Gadelha fanden jedoch heraus, dass ihr vereinfachtes Modell der Flagellenmechanik die Bewegung von Flagellen angemessen erfasst, was zu pulsierenden Mustern führt, die denen eukaryotischer Flagellen ähneln.

Ein Diagramm, das zeigt, wie Simulationen die Bewegungen von Spermienglagellen modellieren, die in experimentellen Daten beobachtet werden.
Vergleich experimenteller und simulierter Multiplikationsmuster. (Cass und Bloomfield-Gadelha, Naturkommunikation2023)

„Wir haben gezeigt, dass dieses mathematische ‚Rezept‘ von zwei sehr weit entfernten Arten befolgt wird – Bullensperma und … Chlamydomonas„Dies ist eine Grünalge, die in der gesamten Wissenschaft als Modellorganismus verwendet wird – was darauf hindeutet, dass die Natur ähnliche Lösungen nachahmt.“ sagen Bloomfield-Gadelha.

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Während diese Modelle wie ein frivoler Spaß erscheinen mögen, könnte die Nachahmung der Mechanismen der Spermiengeißeln schwerwiegende Auswirkungen auf unser Verständnis der Spermienmotilität haben Männliche Fruchtbarkeit.

Die Studie wurde veröffentlicht in Naturkommunikation.

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