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

到處他們看起來數(shù)學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)生的動畫圖案。

這項工作可以追溯到艾倫·圖靈，英國數(shù)學家，除破解密碼外，提出了一個想法對于自然界中如何出現(xiàn)波浪形或斑點狀圖案。

圖靈描述了現(xiàn)在所謂的反應擴散系統(tǒng)，以表明生物模式化可能非常簡單地由兩個分子在空間中擴散的反應產(chǎn)生。

“1952年，圖靈解開了化學模式的反應擴散基礎，”說Hermes Bloomfield-Gadêlha是英國布里斯托爾大學的應用數(shù)學家和機器人工程師，他與研究生James Cass一起完成了這項研究。

“我們表明，細胞世界中運動的'原子'，鞭毛，使用圖靈的模板來塑造驅(qū)動推動精子前進的尾部運動的運動模式。

在我們進一步討論之前，值得注意的是，盡管圖靈的實力很強，但反應擴散模型已經(jīng)長期爭論，實驗生物學家質(zhì)疑它們的真實性。與任何數(shù)學模型一樣，它們將自然的復雜性簡化為幾個參數(shù)。

也就是說，數(shù)學模型可以成為概念化復雜行為的有用工具，例如精子尾巴鞭毛的旋轉(zhuǎn)運動。

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

“振蕩動力學類似于在化學系統(tǒng)中觀察到的振蕩動力學。

而不是化學物質(zhì)在空間中自由反應和擴散，卡斯和布盧姆菲爾德-加德哈描述是錨定在鞭毛結(jié)構(gòu)中的分子馬達的“拔河反應動力學”，以及它們產(chǎn)生的剪切變形，沿著細長彎曲的附屬物擴散。

換句話說，鞭毛的跳動運動始于分子馬達在其底部并產(chǎn)生振蕩，以波浪的形式鞭打其軟盤結(jié)構(gòu)。這個過程可以用反應擴散動力學建模，正如你在上圖中看到的，這些運動會產(chǎn)生類似帶狀的圖案。

然而，認識到他們模型的局限性，研究人員更進一步，將他們的模擬與已發(fā)表的研究，精子和精子的實驗數(shù)據(jù)進行了比較。萊茵衣藻，這是一種單細胞綠藻。

近期研究揭示了精子的陰謀是多么復雜，將Axoneme（為鞭毛和精子運動提供動力的分子機器）描述為“由數(shù)百種不同蛋白質(zhì)組成的名副其實的分子龐然大物”。

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

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

雖然這些模型聽起來像是一些微不足道的樂趣，但模擬精子鞭毛的機制可能會對我們理解精子活力產(chǎn)生嚴重影響，這會影響男性生育能力.

該研究已發(fā)表在自然通訊.

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