Complexe dierpatronen: een nieuwe studie zou deze vraag kunnen beantwoorden

Meld u aan voor de wetenschapsnieuwsbrief Wonder Theory van CNN. Verken het universum met nieuws over fascinerende ontdekkingen, wetenschappelijke vooruitgang en meer.

CNN
—

De koffervis met opvallend patroon heeft geen gebrek aan details als het gaat om zijn zeshoekige vlekken en scherpe lijnen; de complexe markeringen zijn zo scherp bij de soort dat zelfs de ingenieurs van de Universiteit van Colorado Boulder er verbijsterd over waren. Over hoe je die onderscheidende look kunt krijgen.

Alan Turing, de beroemde wiskundige die de moderne computer heeft uitgevonden, stelde meer dan zeventig jaar geleden voor dat dieren hun patronen verkrijgen door chemische middelen te produceren die zich door huidweefsel verspreiden, vergelijkbaar met de manier waarop koffiecreamer zich verspreidt. De chemicaliën zullen reageren terwijl andere factoren hun activiteit remmen, waardoor het patroon ontstaat. Maar de theorie van Turing verklaarde niet hoe patronen specifiek zouden blijven bij soorten als de sierlijke koffervis.

Een team van ingenieurs van de Universiteit van Colorado Boulder heeft ontdekt hoe een mechanisme genaamd diffusiefotoforese scherpe patronen kan creëren in een nieuwe studie die is gepubliceerd Woensdag in Wetenschapsvooruitgang. Het proces van diffusie-elektroforese beschrijft de beweging van moleculen die in een vloeistof zijn gesuspendeerd als reactie op een Concentratiegradiënt van een afzonderlijke chemische stof, waardoor kleine moleculen, in dit geval chromatoforen (pigmentcellen), zich concentreren en samenklonteren.

Toen wetenschappers de Turing-vergelijking berekenden, aangepast om dit proces op te nemen, lieten de simulaties die ze maakten zien dat het pad van de deeltjes altijd brede lijnen creëerde, in tegenstelling tot de vage, onbepaalde plekken die alleen Turing’s theorie zou creëren.

“Wat ons intrigeerde was dat als het wijdverspreid is, de patronen niet zo scherp zouden moeten zijn… en de kleuren niet zo opvallend zouden moeten zijn,” zei de co-auteur van het onderzoek. Ankur Gupta, assistent-professor chemische en biologische technologie aan de Universiteit van Colorado Boulder. “Dus, wat geeft deze patronen zo’n verbazingwekkende scherpte? Dat is waar diffusie-elektroforese in beeld komt.”

De bevindingen van de ingenieurs suggereren dat naarmate chemische middelen zich verspreiden, zich chromatoforen vormen Ze worden ook langs hun pad getrokken tijdens het proces van diffusie-elektroforese, waardoor vlekken en lijnen ontstaan ​​met een duidelijker gedefinieerde omtrek. Volgens een persbericht Over studeren.

Gupta zei dat hij hoopt dat de bevindingen verder onderzoek naar diffusieforese in relatie tot embryogenese en tumorigenese, evenals morfogenese en biologische processen van andere soorten zullen bevorderen.

“Het idee om interfaces te verscherpen is een goed idee, en het is zeker belangrijk voor de biologische functie”, zei hij. Dr. Andrew Krauseassistent-professor toegepaste wiskunde aan de Universiteit van Durham in het Verenigd Koninkrijk Bestudeer de Turing-theoriein een e-mail.

“Wiskundige ideeën zoals diffusie leiden vaak tot ‘gladde’ of continue grensvlakken, terwijl de meeste grenzen in biologische weefsels (bijvoorbeeld de grenzen tussen je organen) relatief rigide zijn”, zegt Kraus, die niet bij het onderzoek betrokken was. minst één mogelijke manier om genexpressiegebieden aan te scherpen.”

De hypothese van Turing verscheen voor het eerst in 1952 in een artikel dat hij schreef met de titel ‘De chemische basis van morfogenese’. Zijn theorie betoogde dat de patronen van dieren niet willekeurig waren, maar eerder een proces van chemische reactie en verspreiding waren dat systematisch leidde tot het verschijnen van vlekken op het luipaard of strepen op het luipaard. Universiteit van Warwick.

Hoewel het diffusieproces een voorgestelde wijziging is om de theorie van Turing te verfijnen op basis van de recente studie, zijn er mogelijk andere oplossingen mogelijk, zei hij. Jeremy Groenhoogleraar ontwikkelingsbiologie aan King’s College London.

“De cellen zijn erg plakkerig en het is onwaarschijnlijk dat ze door diffusie-elektroforese zullen bewegen”, zei Green, die niet bij het onderzoek betrokken was, in een e-mail. “De beweging van cellen om een ​​Turing-patroon (of welke grens dan ook) te verscherpen is geen nieuw idee, en kan niet alleen plaatsvinden door chemotaxis (actieve celmigratie), maar ook door andere mechanismen.”

Green zei dat hij gelooft dat de studie waarschijnlijk toekomstige modellen en experimenten zal beïnvloeden, maar er zijn nog steeds gaten in de theorie van Turing die nog moeten worden onderzocht. Groen co-auteur van A Onderzoek uit februari 2012 Die vond bewijs om de theorie van Turing te ondersteunen als het gaat om de bultjes in het gehemelte van de muis.

“We hebben in ons onderzoek andere mogelijkheden overwogen en het bestaan ​​erkend van processen zoals chemotaxis, dat wil zeggen celmigratie”, zei Gupta in een e-mail. “We zijn niet van plan te beweren dat diffusiefotoforese het enige mechanisme is, maar eerder dat het bestaat en niet goed wordt gewaardeerd. Het opnemen van diffusie helpt de robuustheid van dergelijke voorspellingen te verbeteren.”