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
Искали золото в Австралии, а обнаружили следы взрыва тысяч атомных бомб
Почему находка древней катастрофы сильно продвинуло исследование Марса?...
Секреты «русского гена»: о чем молчит гаплогруппа R1a1?
67 общих маркеров ДНК: половина современных русских мужчин и две трети мужчин из высших каст Северной Индии происходят от одного предка. И не только......
Непотушенный окурок взорвал целый город: чудовищная катастрофа и чудовищная ложь в США
Почему власти десятилетиями умалчивали истинную причину самого мощного техногенного ЧП в истории Штатов?...
Если высохнет Каспий: почему это особенно опасно для России?
Прогнозы пугают: уникальное море-озеро может уменьшиться почти на 40%. И это катастрофа...
Третий сын Сталина: родство подтвердил уникальный документ из Красноярского архива
Будущий вождь обещал жениться, но судьба и история оказались против этого брака...
«Код» таинственной золотой подводной сферы наконец-то взломан спустя три года
Ученые говорят: это был настоящий ДНК-детектив. Внеземная «капсула» оказалась «деталью» морского гиганта...
Гениально, многоэтажно и смертельно опасно: как римляне научились строить высотные дома
Почему реальный Древний Рим выглядел вообще не так, как нам показывают в исторических фильмах?...
Почему индейцы — родственники россиян: что нашли в ДНК коренных американцев?
Как связан древний мальчик с Байкала с племенем в Амазонии? Какой подарок от древних людей помог заселить Америку?...
Первый раз настоящий сахар нашли в космосе: почему ученые в восторге?
Чем космический сахар отличается от земного? И почему биологи говорят, что это сенсация?...
Тайный алтарь на развалинах мертвого города майя обнаружили археологи
Выяснилось, что индейцы долгие столетия продолжали исповедовать, казалось бы, давно забытый древний культ...
За что Владимир Ленин трижды выдвигался на Нобелевскую премию?
Почему самая большая «мирная» награда так и не дошла до главного большевика?...
Прорыв в астрономии: найти жизнь в космосе будет гораздо проще
Ученых не пугает даже погрешность в 20%. Зато будут просканированы тысячи планет...
Старше на 500 лет: что скрывает «тестовая модель» Стоунхенджа?
Сначала «тренировались» на дереве, а потом перешли на камень...