數(shù)學(xué)家發(fā)現(xiàn)斑馬條紋和精子尾巴之間存在奇怪的聯(lián)系

到處他們看起來(lái)數(shù)學(xué)家似乎在自然界中尋找模式.但是斑馬條紋如何形成和精子如何游泳之間的奇怪聯(lián)系幾乎和它得到的一樣奇怪。

從斑馬和斑馬等多種生物體中如何形成條紋和斑點(diǎn)的線索巨型河豚，研究人員分析了精子旋轉(zhuǎn)的鞭毛產(chǎn)生的動(dòng)畫(huà)圖案。

這項(xiàng)工作可以追溯到艾倫·圖靈，英國(guó)數(shù)學(xué)家，除破解密碼外，提出了一個(gè)想法對(duì)于自然界中如何出現(xiàn)波浪形或斑點(diǎn)狀圖案。

圖靈描述了現(xiàn)在所謂的反應(yīng)擴(kuò)散系統(tǒng)，以表明生物模式化可能非常簡(jiǎn)單地由兩個(gè)分子在空間中擴(kuò)散的反應(yīng)產(chǎn)生。

“1952年，圖靈解開(kāi)了化學(xué)模式的反應(yīng)擴(kuò)散基礎(chǔ)，”說(shuō)Hermes Bloomfield-Gadêlha是英國(guó)布里斯托爾大學(xué)的應(yīng)用數(shù)學(xué)家和機(jī)器人工程師，他與研究生James Cass一起完成了這項(xiàng)研究。

“我們表明，細(xì)胞世界中運(yùn)動(dòng)的'原子'，鞭毛，使用圖靈的模板來(lái)塑造驅(qū)動(dòng)推動(dòng)精子前進(jìn)的尾部運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)模式。

在我們進(jìn)一步討論之前，值得注意的是，盡管圖靈的實(shí)力很強(qiáng)，但反應(yīng)擴(kuò)散模型已經(jīng)長(zhǎng)期爭(zhēng)論，實(shí)驗(yàn)生物學(xué)家質(zhì)疑它們的真實(shí)性。與任何數(shù)學(xué)模型一樣，它們將自然的復(fù)雜性簡(jiǎn)化為幾個(gè)參數(shù)。

也就是說(shuō)，數(shù)學(xué)模型可以成為概念化復(fù)雜行為的有用工具，例如精子尾巴鞭毛的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

“通過(guò)在最小模型中分離鞭毛跳動(dòng)的基本元素，我們發(fā)現(xiàn)反應(yīng) - 擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)很好地解釋了觀察到的鞭毛跳動(dòng)模式，”Cass和Bloomfield-Gadêlha。在他們的論文中解釋.

“振蕩動(dòng)力學(xué)類似于在化學(xué)系統(tǒng)中觀察到的振蕩動(dòng)力學(xué)。

而不是化學(xué)物質(zhì)在空間中自由反應(yīng)和擴(kuò)散，卡斯和布盧姆菲爾德-加德哈描述是錨定在鞭毛結(jié)構(gòu)中的分子馬達(dá)的“拔河反應(yīng)動(dòng)力學(xué)”，以及它們產(chǎn)生的剪切變形，沿著細(xì)長(zhǎng)彎曲的附屬物擴(kuò)散。

換句話說(shuō)，鞭毛的跳動(dòng)運(yùn)動(dòng)始于分子馬達(dá)在其底部并產(chǎn)生振蕩，以波浪的形式鞭打其軟盤(pán)結(jié)構(gòu)。這個(gè)過(guò)程可以用反應(yīng)擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)建模，正如你在上圖中看到的，這些運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生類似帶狀的圖案。

然而，認(rèn)識(shí)到他們模型的局限性，研究人員更進(jìn)一步，將他們的模擬與已發(fā)表的研究，精子和精子的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。萊茵衣藻，這是一種單細(xì)胞綠藻。

近期研究揭示了精子的陰謀是多么復(fù)雜，將Axoneme（為鞭毛和精子運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力的分子機(jī)器）描述為“由數(shù)百種不同蛋白質(zhì)組成的名副其實(shí)的分子龐然大物”。

然而，Cass和Bloomfield-Gadêlha發(fā)現(xiàn)他們簡(jiǎn)化的鞭毛力學(xué)模型充分捕捉了鞭毛運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生了模仿真核鞭毛的跳動(dòng)模式。

“我們表明，這個(gè)數(shù)學(xué)'配方'后面有兩個(gè)非常遙遠(yuǎn)的物種 - 公牛精子和衣藻，一種綠藻，被用作科學(xué)界的模式生物——這表明大自然復(fù)制了類似的解決方案，”說(shuō)布盧姆菲爾德-加德利亞。

雖然這些模型聽(tīng)起來(lái)像是一些微不足道的樂(lè)趣，但模擬精子鞭毛的機(jī)制可能會(huì)對(duì)我們理解精子活力產(chǎn)生嚴(yán)重影響，這會(huì)影響男性生育能力.

該研究已發(fā)表在自然通訊.

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