Pływanie plemników wynika z tych samych wzorców, które uważa się za dyktujące paski zebry

Uważa się, że wzorce reakcji chemicznych tworzą w przyrodzie wzory, takie jak linie i plamy. Nowe badanie Wyjaśnia, że ​​matematyczna podstawa tych wzorców reguluje również sposób poruszania się ogona plemnika.

Wyniki opublikowano dzisiaj w Komunikacja przyrodniczaUjawniają, że ruch wici – na przykład ogonków plemników i rzęsek – przebiega według tego samego szablonu tworzenia wzorców, który odkrył matematyk Alan Turing.

Zmarszczki wici tworzą w czasoprzestrzeni wzory wstęgowe, generując fale, które przemieszczają się wzdłuż ogona, popychając plemniki i drobnoustroje do przodu.

Alan Turing zasłynął z pomocy w rozszyfrowaniu tajemniczego kodu podczas II wojny światowej. Jednakże opracował także teorię tworzenia wzorców, która przewidywała, że ​​wzorce chemiczne mogą pojawiać się spontanicznie tylko z dwoma składnikami: substancjami chemicznymi dyfundującymi (dyfundującymi) i wchodzącymi w interakcję ze sobą. Turing jako pierwszy zaproponował tak zwaną teorię tworzenia wzorców interakcji i dyfuzji.

Turing pomógł utorować drogę zupełnie nowemu rodzajowi badań wykorzystujących matematykę reakcji i dyfuzji do zrozumienia naturalnych wzorców. Obecnie te wzorce chemiczne, które po raz pierwszy przewidział Turing, nazywane są wzorami Turinga. Chociaż nie zostało to jeszcze udowodnione eksperymentalnie, uważa się, że te wzorce rządzą wieloma wzorami występującymi w naturze, takimi jak plamy tygrysie, krąg nasion w główce słonecznika i wzory piasku na plaży. Teorię Turinga można zastosować w różnych dziedzinach, od biologii i robotyki po astrofizykę.

Matematyk dr Hermes Gadilha, kierownik Laboratorium Polimatematyki na Uniwersytecie w Bristolu i dr hab. Student James Cass przeprowadził te badania w Szkole Inżynierii Matematyki i Technologii Uniwersytetu w Bristolu.

„Spontaniczny, żywy ruch wici i rzęsek obserwuje się wszędzie w przyrodzie, ale niewiele wiadomo na temat ich koordynacji. Są one ważne dla zdrowia i chorób, reprodukcji, rozwoju i przetrwania prawie wszystkich mikroorganizmów wodnych na Ziemi” Gadelha wyjaśniła. .

Zespół zainspirował się niedawnymi obserwacjami dotyczącymi płynów o niskiej lepkości, które wykazały, że otaczające środowisko odgrywa niewielką rolę w wiciach. Wykorzystali modelowanie matematyczne, symulację i dopasowywanie danych, aby wykazać, że zmarszczki wici mogą powstawać spontanicznie, bez wpływu płynnego środowiska.

Matematycznie jest to równoważne systemowi dyfuzji reakcji Turinga, który po raz pierwszy zaproponowano dla wzorców chemicznych.

W przypadku pływających plemników reakcje chemiczne silników molekularnych napędzają wić, a ruch zginający rozchodzi się wzdłuż ogona falowo. Poziom ogólności między wzorcami wizualnymi a wzorcami ruchowymi jest uderzający i nieoczekiwany, pokazując, że do uzyskania bardzo złożonego ruchu potrzebne są tylko dwa proste elementy.

„Wykazaliśmy, że według tego matematycznego «przepisu» działają dwa bardzo odległe gatunki – plemnik byka i Chlamydomonas (alga zielona używana jako organizm modelowy w nauce), co sugeruje, że natura replikuje podobne rozwiązania. Organizmy te powstają spontanicznie, nawet jeśli nie mają na nie wpływu. wić jest połączona z otaczającym ją płynem, co oznacza, że ​​wić posiada niezawodny mechanizm umożliwiający jej pływanie w środowiskach o niskiej lepkości, co byłoby niemożliwe w przypadku gatunków wodnych.

„Po raz pierwszy modele symulacyjne tak dobrze porównywały się z danymi eksperymentalnymi. Jesteśmy wdzięczni badaczom, którzy bezpłatnie udostępnili swoje dane, bez których nie bylibyśmy w stanie poczynić postępów w tym badaniu matematycznym”.

Odkrycia te mogą zostać wykorzystane w przyszłości do lepszego zrozumienia problemów z płodnością związanych z nieprawidłową motoryką wici i innymi ciliopatiami; Choroby wywołane przez nieefektywne rzęski w organizmie człowieka.

Można to również dalej badać pod kątem zastosowań w robotyce, sztucznych mięśniach i ruchomych materiałach, ponieważ zespół odkrył prosty „matematyczny przepis” na tworzenie wzorców ruchowych.

Dr Gadilha jest także członkiem SoftLab w Bristol Robotics Laboratory (BRL), gdzie wykorzystuje matematykę tworzenia wzorów do wynalezienia nowej generacji miękkich robotów.

„W 1952 r. Turing odkrył podstawy interakcji i rozprzestrzeniania się wzorców chemicznych” – powiedziała dr Jadelha. „Wykazaliśmy, że «atom» ruchu w świecie komórkowym, wić, wykorzystuje szablon Turinga do tworzenia wzorców ruchu, które zamiast tego napędzają ruch ogona, który popycha plemnik do przodu.

„Chociaż jest to krok bliżej matematycznego rozszyfrowania spontanicznej animacji w przyrodzie, nasz model dyfuzji reakcji jest zbyt prosty, aby w pełni uchwycić całą złożoność. W przestrzeni modelu mogą znajdować się inne modele, które pasują do tego samego lub „Jeszcze lepiej, eksperymentów, po prostu jeszcze o nich nie wiemy, dlatego potrzebne są dalsze badania.”

Prace numeryczne przeprowadzono przy użyciu urządzeń obliczeniowych i przechowywania danych w Centrum Badań nad Zaawansowanymi Obliczeniami na Uniwersytecie w Bristolu.