Зашто Зебрафисх имају пруге? Математички модел објашњава узорак

Пруге су уобичајене у нашим животима. То је прилично основни образац и лако га је узети здраво за готово.

Као примењени математичар који проучава како се обрасци формирају у природи, ипак ме занимају пругасти узорци које зебрафис носи преко његовог тела и пераја.

Погледајте ближе црне и златне пруге зебрице, и видећете пигментне ћелије различитих боја, њих десетине. Волим да замишљам ове ћелије као људе који ходају у препуној соби: баш као и ми, ћелије се крећу и комуницирају са својим комшијама. Појављују се пруге јер ћелије веома пажљиво упућују и сигнализирају једна другој како да се понашају. Чак се и „рукују“ у одређеном смислу тако што се приближавају удаљеним ћелијама.

Из математичке перспективе, пруге зебрице спадају у поље самоорганизације, феномен у којем појединци међусобно дјелују и производе неки узорак много већи од било којег појединца, без вањског смјера. Птичја јата и школска риба су такође примери самоорганизације у природи. Нико се не налази на мегафону који позива на упутства како би птице јата или пигментне ћелије производиле пруге рибе, али се необично, обоје организују да креирају обрасце.

Види такође: Научници укрштају једно такмичарско објашњење зашто зебре имају пруге

Све до недавно, истраживачка заједница је мислила да су само две врсте ћелија укључене у траке зебрице: црне и златне пруге, тако црне и златне ћелије. Међутим, експерименти су показали да је трећи тип пигментне ћелије - плаве и сребрне иридофоре - критичан за формирање узорка. Уклоните га са коже, а зебрице имају мрље!

Како онда хиљаде ћелија различитих боја на растућој рибици зебрице раде заједно како би доследно формирале пруге? Да бих одговорио на ово питање, развио сам математички модел у сарадњи са професором примењене математике Бјорном Сандстедеом. У нашем моделу, пигментне ћелије су обојене тачке које прате прописана правила и једнаџбе за кретање, интеракцију и промену боје. Ћелије са различитим бојама понашају се на различите начине. Има много питања о зебрицама, па смо одлучили да се фокусирамо на придошлице на сцену: оне досадне плаве и сребрне ћелије.

Математика нуди другачију перспективу од типичних биолошких експеримената на рибама. Биолози могу да гледају како се ћелије понашају, али је теже закључити сигнале иза њиховог понашања. Користећи математичке моделе, можемо тестирати много различитих могућих интеракција ћелија и предложити које су заправо способне да објасне понашање биолога. Биолози могу да тестирају наша предвиђања о правој риби.

Наш модел сугерира да постоји више сигнала на послу који подучавају сребрне и плаве ћелије на кожи рибе. Сви ови сигнали су сувишни. Неколико знакова су све инструкције које ћелија може да затражи у савршеном свету, али свет није савршен. На пример, мислимо да црне ћелије у близини сигнализирају иридофоре да промене своју густину и боју. Али ако не постоје никакве црне ћелије које би пренијеле тај сигнал, удаљене златне ћелије могу попунити и дати исте упуте.

Види такође: Први видео снимак секса дубоког морског риба који чини мисијски поглед

Можете замислити ове редундантне сигнале као гомилу различитих алармних сатова. Ако ујутру имате важан састанак, можете поставити аларм, поставити обавештење на телефон и затражити позив за буђење. Сва та редундантност значи да ћете вероватно добити гомилу знакова да се пробудите. Али, ако случајно не умре телефон или ако рецепција заборави да вас позове, то значи да ћете и даље доћи на састанак на вријеме. Редундантност осигурава жељени резултат, чак и ако један сигнал не успије.

Иста идеја може бити на делу у зебрицама. Наш модел сугерише да ћелије различитих боја стално упућују једна другу. Ово осигурава да се плави и сребрни иридофери ударају са правцима са свих страна како да се понашају. Пошто постоји више сигнала, повремени неуспех не ремете превише обрасце. Резултат: поуздане пруге.

Зашто је ово битно? Гени зебрафије су изненађујуће слични људским генима. Разумевањем интеракције пигментних ћелија у нормалној и мутираној зебрици, истраживачи могу да почну да повезују гене са њиховом функцијом.

Прича о томе како образац обрасца зебрице још није завршен. Ипак, за сада, следећи пут када видите пругасту рибу, размислите о паузирању на тренутак да бисте препознали све пигментне ћелије које су стављене у креирање тог обрасца. Те поуздане пруге су прилично невероватне.

Овај чланак је првобитно објављен на Тхе Цонверсатион би Алекандриа Волкенинг. Прочитајте оригинални чланак овде.