Komplexe Tiermuster: Diese Frage könnte eine neue Studie beantworten

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Dem auffallend gemusterten Kofferfisch mangelt es nicht an Details, wenn es um seine sechseckigen Flecken und scharfen Linien geht – die komplexen Markierungen sind bei dieser Art so scharf, dass selbst seine Ingenieure an der University of Colorado Boulder verwirrt waren. Wie man diesen unverwechselbaren Look bekommt.

Alan Turing, der berühmte Mathematiker, der die moderne Informatik erfunden hat, schlug vor mehr als 70 Jahren vor, dass Tiere ihre Muster durch die Produktion chemischer Wirkstoffe erhalten, die sich durch das Hautgewebe ausbreiten, ähnlich wie Kaffeesahne. Die Chemikalien reagieren, während andere Faktoren ihre Aktivität hemmen, wodurch das Muster entsteht. Aber Turings Theorie erklärte nicht, wie Muster bei Arten wie dem Schmuckkofferfisch spezifisch bleiben würden.

Ein Team von Ingenieuren der University of Colorado Boulder hat in einer neuen veröffentlichten Studie herausgefunden, wie ein Mechanismus namens Diffusionsphotophorese scharfe Muster erzeugen kann Mittwoch in Science Advances. Der Prozess der Diffusionselektrophorese beschreibt die Bewegung von in einer Flüssigkeit suspendierten Molekülen als Reaktion auf a Konzentrationsgradient einer separaten Chemikalie, wodurch sich kleine Moleküle, in diesem Fall Chromatophore (Pigmentzellen), konzentrieren und verklumpen.

Als Wissenschaftler die Turing-Gleichung berechneten, die so modifiziert wurde, dass sie diesen Prozess berücksichtigte, zeigten die von ihnen erstellten Simulationen, dass der Weg der Teilchen immer breite Linien erzeugte, im Gegensatz zu den vagen, unbestimmten Punkten, die Turings Theorie allein erzeugen würde.

„Was uns irgendwie faszinierte, war, dass die Muster nicht so scharf sein sollten, wenn es weit verbreitet wäre … und die Farben nicht so auffällig sein sollten“, sagte der Co-Autor der Studie. Ankur Gupta, Assistenzprofessor für Chemie- und Bioingenieurwesen an der University of Colorado Boulder. „Was gibt diesen Mustern eine so erstaunliche Schärfe? Hier kommt die Diffusionselektrophorese ins Spiel.“

Die Erkenntnisse der Ingenieure legen nahe, dass sich bei der Ausbreitung chemischer Wirkstoffe Chromatophoren bilden Sie werden auch im Prozess der Diffusionselektrophorese entlang ihrer Bahn gezogen, wodurch Punkte und Linien mit klarer definierten Konturen entstehen. Laut einer Pressemitteilung Beim Lernen.

Gupta sagte, er hoffe, dass die Ergebnisse die weitere Forschung zur Diffusionsphorese in Bezug auf Embryogenese und Tumorentstehung sowie Morphogenese und biologische Prozesse anderer Arten vorantreiben werden.

„Die Idee, Schnittstellen zu schärfen, ist eine gute Idee und sicherlich wichtig für die biologische Funktion“, sagte er. Dr. Andrew KrauseAssistenzprofessor für Angewandte Mathematik an der Durham University im Vereinigten Königreich Studieren Sie die Turing-Theoriein einer E-Mail.

„Mathematische Ideen wie Diffusion führen oft zu ‚glatten‘ oder kontinuierlichen Grenzflächen, während die meisten Grenzen in biologischen Geweben (zum Beispiel die Grenzen zwischen Ihren Organen) relativ starr sind“, sagte Kraus, der nicht an der Studie beteiligt war zumindest eine Möglichkeit, Genexpressionsregionen zu schärfen.

Turings Hypothese erschien erstmals 1952 in einem von ihm verfassten Aufsatz mit dem Titel „Die chemische Basis der Morphogenese“. Seine Theorie argumentierte, dass Tiermuster nicht zufällig seien, sondern vielmehr ein Prozess chemischer Reaktion und Diffusion, der systematisch zum Auftreten von Flecken auf dem Leoparden oder Streifen auf dem Leoparden führe Universität Warwick.

Während der Diffusionsprozess eine vorgeschlagene Modifikation sei, um Turings Theorie auf der Grundlage der jüngsten Studie zu verfeinern, könnten auch andere Lösungen möglich sein, sagte er. Jeremy GreenProfessor für Entwicklungsbiologie am King’s College London.

„Die Zellen sind sehr klebrig und bewegen sich wahrscheinlich nicht durch Diffusionselektrophorese“, sagte Green, der nicht an der Studie beteiligt war, in einer E-Mail. „Die Bewegung von Zellen zur Schärfung eines Turing-Musters (oder tatsächlich einer beliebigen Grenze) ist keine neue Idee und kann nicht nur durch Chemotaxis (aktive Zellmigration), sondern auch durch andere Mechanismen erfolgen.“

Green sagte, er glaube, dass die Studie zukünftige Modellierungen und Experimente beeinflussen werde, aber es gebe noch Lücken in Turings Theorie, die noch erforscht werden müssten. Green war Co-Autor von A Studie vom Februar 2012 Dabei wurden Beweise gefunden, die Turings Theorie in Bezug auf die Beulen am Gaumen der Maus stützen.

„Wir haben in unserer Forschung andere Möglichkeiten in Betracht gezogen und die Existenz von Prozessen wie der Chemotaxis, also der Zellmigration, anerkannt“, sagte Gupta in einer E-Mail. „Wir wollen nicht behaupten, dass die Diffusionsphotophorese der einzige Mechanismus ist, sondern vielmehr, dass sie existiert und nicht richtig gewürdigt wurde. Die Einbeziehung der Diffusion trägt dazu bei, die Robustheit solcher Vorhersagen zu verbessern.“