Dlaczego Zebrafish ma paski? Model matematyczny wyjaśnia wzór

Paski są powszechne w naszym życiu. To dość podstawowy wzór i łatwy do zaakceptowania.

Jako matematyk zastosowany, który bada sposób kształtowania się wzorów w naturze, jestem zachwycony pasiastymi wzorami, które danio pręgowany nosi na ciele i płetwach.

Przyjrzyj się bliżej czarnym i złotym paskom danio pręgowanego, a zobaczysz różnokolorowe komórki pigmentowe, ich dziesiątki tysięcy. Lubię wyobrażać sobie te komórki jako ludzi chodzących po zatłoczonym pokoju: tak jak my, komórki poruszają się i wchodzą w interakcje z sąsiadami. Paski pojawiają się, ponieważ komórki bardzo dokładnie instruują i sygnalizują sobie nawzajem, jak się zachować. W pewnym sensie nawet „podają sobie ręce”, sięgając do odległych komórek.

Z matematycznego punktu widzenia pasy danio pręgowanego wchodzą w pole samoorganizacji, zjawiska, w którym jednostki wchodzą w interakcję, tworząc jakiś wzór znacznie większy niż jakikolwiek człowiek, bez kierunku zewnętrznego. Stada ptaków i ryby szkolne są również przykładami samoorganizacji w przyrodzie. Nikt nie znajduje się na megafonie, który wywołuje kierunki, tak aby stado ptaków lub komórki pigmentowe wytwarzały paski ryb, jednak co niezwykłe, obie organizują się, aby tworzyć wzory.

Zobacz także: Naukowcy wykreślają jedno konkurencyjne wyjaśnienie, dlaczego zebry mają paski

Do niedawna społeczność badawcza uważała, że ​​tylko dwa rodzaje komórek były zaangażowane w paski danio pręgowanego: czarne i złote paski, a więc czarne i złote komórki. Eksperymenty pokazały jednak, że trzeci typ komórek pigmentowych - niebieskie i srebrne irydofory - ma kluczowe znaczenie dla tworzenia wzoru. Usuń go ze skóry, a Danio pręgowany ma plamy!

W jaki sposób tysiące różnych kolorów komórek rosnącego danio pręgowanego współpracują ze sobą, aby konsekwentnie tworzyć paski? Aby pomóc w odpowiedzi na to pytanie, opracowałem model matematyczny we współpracy z profesorem matematyki stosowanej Bjornem Sandstede. W naszym modelu komórki pigmentowe są kolorowymi kropkami, zgodnie z zaleconymi zasadami i równaniami dotyczącymi sposobu poruszania się, interakcji i zmiany koloru. Komórki o różnych kolorach zachowują się na różne sposoby. Istnieje wiele pytań na temat danio pręgowanego, więc zdecydowaliśmy się skupić na nowych osobach na scenie: te nieznośne niebieskie i srebrne komórki.

Matematyka oferuje inną perspektywę niż typowe eksperymenty biologiczne na rybach. Biolodzy mogą obserwować, jak zachowują się komórki, ale trudniej jest wywnioskować sygnały stojące za ich zachowaniem. Za pomocą modeli matematycznych możemy przetestować wiele różnych możliwych interakcji komórkowych i zasugerować, które z nich są w stanie wyjaśnić zachowania obserwowane przez biologów. Biolodzy mogą następnie przetestować nasze przewidywania dotyczące prawdziwych ryb.

Nasz model sugeruje, że w pracy występuje wiele sygnałów, które instruują srebrne i niebieskie komórki na skórze ryb. Wszystkie te sygnały są zbędne. Kilka wskazówek to instrukcja, której komórka może potrzebować w idealnym świecie, ale świat nie jest doskonały. Na przykład sądzimy, że pobliskie czarne komórki sygnalizują irydofory, aby zmienić ich gęstość i kolor. Ale jeśli nie ma żadnych czarnych komórek do przesłania tego sygnału, odległe komórki złota mogą wypełnić i dostarczyć te same instrukcje.

Zobacz także: Pierwszy w historii film z głębinowymi płetwami Anglerfish Sprawia, że ​​misjonarz wygląda błyskotliwie

Możesz myśleć o tych zbędnych sygnałach jak o kilku różnych budzikach. Jeśli masz ważne spotkanie rano, możesz ustawić budzik, umieścić powiadomienie w telefonie i poprosić o dzwonienie. Cała ta nadmiarowość oznacza, że ​​prawdopodobnie otrzymasz kilka wskazówek, aby się obudzić. Ale poza przypadkiem, gdy Twój telefon umrze lub recepcja zapomni zadzwonić, oznacza to, że dotrzesz na spotkanie na czas. Redundancja zapewnia pożądany rezultat, nawet jeśli jeden sygnał zawiedzie.

Ten sam pomysł może być stosowany u danio pręgowanego. Nasz model sugeruje, że komórki o różnych kolorach nieustannie instruują się nawzajem. Gwarantuje to, że niebieskie i srebrne irydofory są uderzane w kierunki ze wszystkich stron, jak zachowywać się. Ponieważ istnieje wiele sygnałów, sporadyczne awarie nie zakłócają zbytnio wzorców. Wynik: niezawodne paski.

Dlaczego to jest ważne? Geny danio pręgowanego są zaskakująco podobne do ludzkich genów. Dzięki zrozumieniu, w jaki sposób komórki pigmentowe wchodzą w interakcję z normalnym i zmutowanym danio pręgowanym, naukowcy mogą być w stanie zacząć łączyć geny z ich funkcją.

Historia tego, jak tworzą się wzory danio pręgowanego, jeszcze się nie skończyła. Na razie jednak następnym razem, gdy zobaczysz pasiastą rybę, rozważ przerwanie chwili, aby rozpoznać całą pracę komórek pigmentowych w tworzeniu tego wzoru. Te niezawodne pasy są niesamowite.

Ten artykuł został pierwotnie opublikowany w The Conversation by Alexandria Volkening. Przeczytaj oryginalny artykuł tutaj.