Proč Zebrafish mají pruhy? Matematický model Vysvětluje Vzor

Pruhy jsou v našich životech běžné. Je to docela základní model a snadno se bere jako samozřejmost.

Jako aplikovaný matematik, který studuje, jak se vzory v přírodě vytvářejí, jsem ohromen pruhovanými vzory, které nosí zebrafish přes tělo a ploutve.

Podívejte se blíže na černé a zlaté pruhy zebrafish a uvidíte různé barevné pigmentové buňky, desítky tisíc z nich. Líbí se mi představit si tyto buňky jako lidi chodící v přeplněném pokoji: Stejně jako my, i buňky se pohybují a spolupracují se svými sousedy. Pruhy se objevují, protože se buňky velmi pečlivě poučují a signalizují, jak se chovat. Dokonce „potřásají rukama“ v určitém smyslu tím, že se dostanou k vzdáleným buňkám.

Z matematického hlediska spadají pruhy zebrafish do oblasti samoorganizace, což je jev, ve kterém jednotlivci vzájemně komunikují, aby produkovali nějaký vzor mnohem větší než kterýkoli jedinec, bez vnějšího směru. Ptačí hejna a školní ryby jsou také příklady sebeorganizace v přírodě. Nikdo není na megafonu volajícím směry tak, aby se ptáci hejnu nebo pigmentové buňky vyráběli rybí pruhy, ale pozoruhodně se oba organizují, aby vytvářeli vzory.

Viz také: Vědci Cross Out One Soutěžní Vysvětlení Proč Zebry mají pruhy

Až donedávna se výzkumná komunita domnívala, že do pruhů zebrafish jsou zapojeny pouze dva typy buněk: černé a zlaté pruhy, tedy černé a zlaté buňky. Experimenty však ukázaly, že třetí typ pigmentových buněk - modré a stříbrné iridofory - je rozhodující pro tvorbu vzorů. Odstraňte ji z kůže a zebrafish mají skvrny!

Jak tedy tisíce různobarevných buněk na rostoucí zebrafish pracují společně, aby tvořily pruhy? Pro zodpovězení této otázky jsem vytvořil matematický model ve spolupráci s profesorem aplikované matematiky Bjornem Sandstede. V našem modelu jsou pigmentové buňky barevnými tečkami podle předepsaných pravidel a rovnic, jak se pohybují, vzájemně ovlivňují a mění barvu. Buňky s různými barvami se chovají různými způsoby. Existuje spousta otázek o zebrafish, tak jsme se rozhodli zaměřit se na nováčky na scénu: ty otravné modré a stříbrné buňky.

Matematika nabízí odlišný pohled od typických biologických experimentů na rybách. Biologové mohou sledovat, jak se buňky chovají, ale je složitější odvodit signály za jejich chováním. Pomocí matematických modelů můžeme testovat mnoho různých možných interakcí buněk a navrhnout, které z nich jsou schopny vysvětlit chování biologů. Biologové pak mohou otestovat naše předpovědi o skutečné rybě.

Náš model naznačuje, že v práci existuje více signálů, které poučují stříbrné a modré buňky na rybí kůži. Všechny tyto signály jsou nadbytečné. Několik podnětů je instrukcí, kterou může buňka potřebovat v dokonalém světě, ale svět není dokonalý. Například si myslíme, že blízké černé buňky signalizují iridofory, aby změnili svou hustotu a barvu. Pokud však nejsou k přenosu tohoto signálu žádné černé buňky, mohou vzdálené zlaté buňky vyplnit a poskytnout stejné instrukce.

Viz také: První video z hluboko-mořského ďasovitého pohlaví dělá misionářský pohled honosný

Na tyto redundantní signály můžete myslet jako na spoustu různých budíků. Máte-li důležitou schůzku v dopoledních hodinách, můžete nastavit budík, vložit do telefonu oznámení a požádat o volání. Vše, co redundance znamená, že budete pravděpodobně dostat spoustu narážek probudit. Ale vzhledem k tomu, že váš telefon umírá nebo na recepci zapomněl zavolat, znamená to také, že se na schůzce můžete dostat včas. Redundance zajišťuje požadovaný výsledek, i když jeden signál selže.

Stejný nápad může být v práci v zebrafish. Náš model naznačuje, že se různé buňky neustále poučují. Tím je zajištěno, že modré a stříbrné iridofóry jsou vrhány směry ze všech stran na to, jak se chovat. Vzhledem k tomu, že existuje více signálů, občasné poruchy nenarušují příliš mnoho vzorů. Výsledek: spolehlivé pruhy.

Proč je toto důležité? Geny zebrafish jsou překvapivě podobné lidským genům. Tím, že vědci pochopí, jak pigmentové buňky interagují v normálním a mutovaném zebrafish, mohou být schopni začít spojovat geny s jejich funkcí.

Příběh o tom, jak se tvoří vzory zebrafish, ještě není dokončen. Prozatím však, až příště uvidíš pruhovanou rybu, uvažujme o chvilce, kdy poznáš všechny pracovní pigmentové buňky vložené do vytvoření tohoto vzoru. Ty spolehlivé pruhy jsou zatraceně úžasné.

Tento článek byl původně publikován na Konverzaci Alexandrie Volkening. Přečtěte si originální článek zde.