Как математика Тьюринга объясняет движение сперматозоидов
Сперматозоиды — одни из самых изученных клеток в биологии, но их движение до недавних пор оставалось загадкой. Недавно группа ученых из Университета Бристоля обнаружила, что хвост сперматозоида, называемый флагеллумом, создает узоры при движении, которые можно описать с помощью математической теории, разработанной Аланом Тьюрингом — одним из основоположников компьютерной науки.
Алан Тьюринг славится своим вкладом в дешифровку немецкого шифра «Энигма» в период Второй мировой войны. Но он также предложил теорию, согласно которой узоры могут возникать из-за диффузии (распространения) и реакции химических веществ. Это получило название теории реакции-диффузии формирования узоров.
Теория Тьюринга, изложенная в его статье 1952 года «Химические основы морфогенеза», объясняет, как в природе могут возникать узоры из однородного, равномерного состояния. Тьюринг рассматривал систему, в которой два вещества, распространяющиеся в пространстве, взаимодействуют друг с другом, и обнаружил, что такая система способна создавать пространственно периодические узоры даже из случайного или почти равномерного начального состояния. Он предположил, что получающиеся волновые узоры являются химической основой морфогенеза, то есть процесса формирования формы и структуры организмов.
Узоры, образованные химическими взаимодействиями, создают большое разнообразие форм и цветов, таких как спирали, полосы и пятна. Они повсюду в природе и, как полагают, лежат в основе окраски животных, таких как зебры и леопарды, расположения семян в головке подсолнечника и узоров, образованных пляжным песком.
Но что имеет общего химия с механикой? Как оказалось, многое. Исследователи из Бристоля построили математическую модель, описывающую движение флагеллума сперматозоида, и обнаружили, что он подчиняется тем же законам, что и химическая система Тьюринга. Флагеллум состоит из микротрубочек, которые скользят друг относительно друга, вызывая изгибание хвоста. Этот процесс регулируется белками, называемыми моторными белками, которые используют энергию для перемещения микротрубочек. Моторные белки могут создавать узоры, подобные тем, которые предсказывает теория Тьюринга. Эти узоры определяют форму и длину флагеллума, а также скорость и направление движения сперматозоида.
Это открытие может иметь важные последствия для понимания фертильности и развития животных. Узоры, образованные флагеллумом, могут влиять на способность сперматозоидов достигать и оплодотворять яйцеклетку. Кроме того, флагеллумы присутствуют не только у сперматозоидов, но и у многих других клеток, таких как ресничные клетки, которые участвуют в образовании органов и тканей. Поэтому исследование может помочь раскрыть тайны морфогенеза и биологической разнообразности.
Исследование было опубликовано в журнале Nature Communications под названием «Turing patterns in a flagellar mechanical system». Авторами статьи являются Джеймс Касс, Гарри Суини, Дэвид Смит и Герд Швендерлин из Университета Бристоля. Они посвятили свою работу памяти Алана Тьюринга, который был гением, видевшим связи между разными науками и создававшим новые идеи.
Алан Тьюринг славится своим вкладом в дешифровку немецкого шифра «Энигма» в период Второй мировой войны. Но он также предложил теорию, согласно которой узоры могут возникать из-за диффузии (распространения) и реакции химических веществ. Это получило название теории реакции-диффузии формирования узоров.
Теория Тьюринга, изложенная в его статье 1952 года «Химические основы морфогенеза», объясняет, как в природе могут возникать узоры из однородного, равномерного состояния. Тьюринг рассматривал систему, в которой два вещества, распространяющиеся в пространстве, взаимодействуют друг с другом, и обнаружил, что такая система способна создавать пространственно периодические узоры даже из случайного или почти равномерного начального состояния. Он предположил, что получающиеся волновые узоры являются химической основой морфогенеза, то есть процесса формирования формы и структуры организмов.
Узоры, образованные химическими взаимодействиями, создают большое разнообразие форм и цветов, таких как спирали, полосы и пятна. Они повсюду в природе и, как полагают, лежат в основе окраски животных, таких как зебры и леопарды, расположения семян в головке подсолнечника и узоров, образованных пляжным песком.
Но что имеет общего химия с механикой? Как оказалось, многое. Исследователи из Бристоля построили математическую модель, описывающую движение флагеллума сперматозоида, и обнаружили, что он подчиняется тем же законам, что и химическая система Тьюринга. Флагеллум состоит из микротрубочек, которые скользят друг относительно друга, вызывая изгибание хвоста. Этот процесс регулируется белками, называемыми моторными белками, которые используют энергию для перемещения микротрубочек. Моторные белки могут создавать узоры, подобные тем, которые предсказывает теория Тьюринга. Эти узоры определяют форму и длину флагеллума, а также скорость и направление движения сперматозоида.
Это открытие может иметь важные последствия для понимания фертильности и развития животных. Узоры, образованные флагеллумом, могут влиять на способность сперматозоидов достигать и оплодотворять яйцеклетку. Кроме того, флагеллумы присутствуют не только у сперматозоидов, но и у многих других клеток, таких как ресничные клетки, которые участвуют в образовании органов и тканей. Поэтому исследование может помочь раскрыть тайны морфогенеза и биологической разнообразности.
Исследование было опубликовано в журнале Nature Communications под названием «Turing patterns in a flagellar mechanical system». Авторами статьи являются Джеймс Касс, Гарри Суини, Дэвид Смит и Герд Швендерлин из Университета Бристоля. Они посвятили свою работу памяти Алана Тьюринга, который был гением, видевшим связи между разными науками и создававшим новые идеи.
Наши новостные каналы
Подписывайтесь и будьте в курсе свежих новостей и важнейших событиях дня.
Рекомендуем для вас
Почему Китай так стремительно обгоняет США: Эксперт вскрыл секрет, который не замечал никто
Аналитик Дэн Ван уверен: если Запад не начнет срочно меняться, то он обречен перед Востоком...
Великий обман древности: итальянские ученые доказали, что историк соврал о гибели Помпей
Случайная надпись на стене перечеркнула официальную дату смерти города...
Роковая ошибка древних врачей: Почему современные ученые считают, что Александра Македонского похоронили заживо?
Он слышал плач своих полководцев и видел приготовления к бальзамированию, но не мог пошевелиться. Тело великого царя стало его собственным гробом...
Он все слышал, но не мог пошевелиться: Жуткая правда о том, почему тело Александра Македонского не разлагалось
Великий царь стал заложником собственной плоти. Диагноз, который поставили спустя 2300 лет, объясняет все: и «чудо» нетленности, и страшную смерть....
Новое исследование показало: Стоунхендж столетиями «водил за нос». Похоже, историю опять придется переписывать
Оказалось, что сенсация скрывалась в огромном круге, состоящем из загадочных шахт...
Почему Китай так стремительно обгоняет США: секрет, который не замечал никто. Часть 2
Уханьское метро, темная сторона инженерного государства и есть ли шансы у Штатов...
ЦРУ, море в пустыне и нефть: кто и зачем остановил проект Египта на 60 лет?
Часть вторая: Холодная война, 200 ядерных взрывов и 15 миллиардов, которые могут все изменить...
Египет хотел создать МОРЕ в пустыне Сахара: почему проект заморозили на 60 лет?
Часть первая: Реальный шанс спастись от всемирного потопа...
Российский ученый уверен, что максимально приблизился к разгадке тайны шаровой молнии
Похоже, наука ошибалась: это не плазменный сгусток, а «живой кристалл» из частиц-призраков...
Людовик XIV умер совсем не от гангрены: ученые сумели раскрыть истину лишь 310 лет спустя
Эксперты говорят: французский король был обречен. Медикам того времени была совершенно неизвестна его болезнь...
Алкогольная цивилизация: древние люди освоили земледелие... ради пива
Ученые давно подозревали это, а новые находки только подлили масла в огонь «пивной» версии...
Новый российский материал спасает от пожаров и взрывов аккумуляторов
Почему эксперты называют разработку сахалинских ученых настоящим прорывом в сохранении энергии?...