
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

Турецкие археологи обнаружили затерянный мост, способный переписать всю раннюю историю человечества
Оказалось, что научная сенсация все это время... валялась у ученых буквально под ногами...

Эксперты говорят: изобретение ученых из Перми решает одну из самых серьезных и опасных проблем в современной авиации
Американцы потратили на это десятки лет и миллиарды долларов, но открытие сделали в России...

В Антарктиде обнаружен метановый «спящий гигант», который очень быстро просыпается. И это плохая новость
Ученые в тревоге задаются вопросом: означают ли десятки газовых гейзеров под водой, что эффект домино уже запущен?...

В самом большом кратере Луны происходит что-то очень странное
Поэтому астронавты планируют туда заглянуть в самое ближайшее время...

Секретные спутники Илона Маска заподозрили в использовании запрещенных сигналов
Что это значит для России и чем могут ответить наши военные?...

Археологи поражены: 404 тысячи лет назад «римляне» спокойно разделали гигантского слона... 3-сантиметровыми ножичками
Получается, что древние охотники могли справиться с самым большим животным в Европе буквально голыми руками?...

Ученые обнаружили на Кавказе «ужасного» хищника, способного дробить черепа с одного укуса
Почему же 400-килограммовый монстр, побеждавший медведей и саблезубых тигров, все-таки исчез с лица планеты?...

«Черный ящик» раскрыл тайну летучей мыши, пожирающей птиц прямо в полете
Ученые совершенно не ожидали, что рукокрылый властелин ночного неба по свирепости и охотничьему мастерству даст фору даже соколам...

Ученые выяснили: в каком возрасте наш мозг достигает пика своей активности
Почему же 20-30 лет оказались стереотипом, далеким от реальной жизни?...

2700 дней понадобилось ученым, чтобы, наконец, раскрыть главную тайну гигантских скатов
Оказалось, что манты ныряют на 1250-метровую глубину вовсе не за едой и не спасаясь от хищников...

ДНК из ниоткуда: 6000-летние останки в Колумбии ни с кем совпадают по генам. Вообще.
Если у этих людей нет ни предков, ни потомков, то кто они такие?...

Мог ли великий художник Клод Моне видеть в ультрафиолетовом спектре, как пчела?
Историки уверены: после операции на глазах с французским живописцем стали происходит очень странные вещи...

В ближайшие 100 лет Юпитер «выстрелит» в Землю как минимум 342 раза
Российские ученые рассчитали: ближайшее «прицеливание» состоится уже 2031 году. Что вообще нам ожидать?...