Tại sao Zebrafish có sọc? Một mô hình toán học giải thích mô hình

$config[ads_kvadrat] not found

The Gummy Bear Song - Long English Version

The Gummy Bear Song - Long English Version
Anonim

Sọc là phổ biến trong cuộc sống của chúng ta. Nó có một mô hình khá cơ bản và dễ dàng được chấp nhận.

Tuy nhiên, là một nhà toán học ứng dụng, người nghiên cứu cách thức các mẫu hình thành trong tự nhiên, tôi rất ngạc nhiên bởi các mẫu sọc mà cá ngựa vằn mặc trên cơ thể và vây của nó.

Hãy nhìn kỹ hơn vào các sọc đen và vàng của cá ngựa vằn, và bạn sẽ thấy các tế bào sắc tố có màu khác nhau, hàng chục ngàn trong số chúng. Tôi thích hình dung những tế bào này khi mọi người đi lại trong một căn phòng đông người: Cũng giống như chúng ta, các tế bào di chuyển và tương tác với hàng xóm của chúng. Các sọc xuất hiện vì các tế bào rất cẩn thận hướng dẫn và báo hiệu cho nhau về cách cư xử. Họ thậm chí còn bắt tay với nhau trong một số ý nghĩa bằng cách tiếp cận các tế bào ở xa.

Từ góc độ toán học, sọc zebrafish rơi vào lĩnh vực tự tổ chức, một hiện tượng trong đó các cá nhân tương tác để tạo ra một số mô hình lớn hơn nhiều so với bất kỳ cá nhân nào, không có hướng bên ngoài. Đàn chim và cá học đường cũng là những ví dụ về tự tổ chức trong tự nhiên. Không ai ở trên loa gọi ra hướng để chim bay hoặc tế bào sắc tố tạo ra sọc cá, nhưng đáng chú ý, cả hai đều tự tổ chức để tạo ra các mô hình.

Xem thêm: Các nhà khoa học gạch bỏ một giải thích cạnh tranh cho lý do tại sao ngựa vằn có sọc

Cho đến gần đây, cộng đồng nghiên cứu nghĩ rằng chỉ có hai loại tế bào có liên quan đến sọc zebrafish: sọc đen và vàng, vì vậy tế bào đen và vàng. Tuy nhiên, các thí nghiệm cho thấy một loại tế bào sắc tố thứ ba - iridophores màu xanh và bạc - rất quan trọng đối với sự hình thành mô hình. Loại bỏ nó khỏi da, và cá ngựa vằn có đốm!

Vậy làm thế nào để hàng ngàn tế bào có màu khác nhau trên một con cá ngựa vằn đang phát triển phối hợp với nhau để tạo thành các sọc? Để giúp trả lời câu hỏi này, tôi đã phát triển một mô hình toán học phối hợp với giáo sư toán học ứng dụng Bjorn Sandstede. Trong mô hình của chúng tôi, các tế bào sắc tố là các chấm màu theo quy tắc và phương trình quy định cho cách chúng di chuyển xung quanh, tương tác và thay đổi màu sắc của chúng. Các tế bào với màu sắc khác nhau hành xử theo những cách khác nhau. Có rất nhiều câu hỏi về cá ngựa vằn, vì vậy chúng tôi quyết định tập trung vào những người mới đến hiện trường: những tế bào màu xanh và bạc phiền phức.

Toán học cung cấp một quan điểm khác với các thí nghiệm sinh học điển hình trên cá. Các nhà sinh học có thể theo dõi cách các tế bào hoạt động, nhưng nó khó hơn để suy ra các tín hiệu đằng sau hành vi của chúng. Sử dụng các mô hình toán học, chúng ta có thể kiểm tra rất nhiều tương tác tế bào khác nhau có thể và đề xuất những tương tác nào thực sự có thể giải thích các hành vi mà các nhà sinh học quan sát. Các nhà sinh học sau đó có thể kiểm tra dự đoán của chúng tôi về cá thật.

Mô hình của chúng tôi cho thấy có nhiều tín hiệu hoạt động hướng dẫn các tế bào bạc và xanh trên da cá. Tất cả những tín hiệu này là dư thừa. Một vài tín hiệu là tất cả các hướng dẫn mà một tế bào có thể cần trong một thế giới hoàn hảo, nhưng thế giới không hoàn hảo. Ví dụ, chúng tôi nghĩ rằng các tế bào đen gần đó báo hiệu các iridophores để thay đổi mật độ và màu sắc của chúng. Nhưng nếu không có bất kỳ tế bào đen nào xung quanh để truyền tín hiệu đó, các tế bào vàng ở xa có thể điền vào và cung cấp các hướng dẫn tương tự.

Xem thêm: Video đầu tiên về loài cá Anglerfish biển sâu làm cho truyền giáo trông hào nhoáng

Bạn có thể nghĩ về những tín hiệu dư thừa này giống như một loạt các đồng hồ báo thức khác nhau. Nếu bạn có một cuộc họp quan trọng vào buổi sáng, bạn có thể đặt đồng hồ báo thức, đặt thông báo trên điện thoại của bạn và yêu cầu một cuộc gọi báo thức. Tất cả sự dư thừa đó có nghĩa là bạn có thể sẽ nhận được một loạt các tín hiệu để thức dậy. Nhưng trong trường hợp điện thoại của bạn chết hoặc quầy lễ tân quên cuộc gọi, điều đó cũng có nghĩa là bạn vẫn sẽ đến cuộc họp đúng giờ. Sự dư thừa đảm bảo kết quả mong muốn, ngay cả khi một tín hiệu thất bại.

Ý tưởng tương tự có thể là tại nơi làm việc ở cá ngựa vằn. Mô hình của chúng tôi cho thấy các tế bào có màu khác nhau liên tục hướng dẫn lẫn nhau. Điều này đảm bảo rằng iridophores màu xanh và bạc được dồn nén với các hướng từ mọi phía về cách cư xử. Bởi vì có nhiều tín hiệu, thỉnh thoảng thất bại không nên phá vỡ mô hình quá nhiều. Kết quả: sọc đáng tin cậy.

Tại sao nó lại quan trọng? Các gen của cá ngựa vằn tương tự đáng ngạc nhiên với gen của con người. Bằng cách hiểu làm thế nào các tế bào sắc tố tương tác trong cá ngựa vằn bình thường và đột biến, các nhà nghiên cứu có thể có thể bắt đầu liên kết các gen với chức năng của chúng.

Câu chuyện về cách các mẫu cá ngựa vằn hình thành chưa được hoàn thành. Tuy nhiên, bây giờ, lần tới khi bạn nhìn thấy một con cá sọc, hãy xem xét tạm dừng một lát để nhận ra tất cả các tế bào sắc tố công việc được đưa vào để tạo ra mô hình đó. Những sọc đáng tin cậy là khá đáng kinh ngạc.

Bài viết này ban đầu được xuất bản trên Cuộc trò chuyện của Alexandria ROLening. Đọc văn bản gôc ở đây.

$config[ads_kvadrat] not found