Почему у рыбок данио есть полосы? Математическая модель объясняет шаблон

Полосы обычны в нашей жизни. Это довольно простой шаблон, и его легко принять как должное.

Как прикладной математик, который изучает, как узоры образуются в природе, меня поразили полосатые узоры, которые рыба-данио носит по всему телу и плавникам.

Посмотрите на черные и золотые полосы рыбок данио, и вы увидите пигментные клетки разного цвета, десятки тысяч из них. Мне нравится представлять эти камеры как людей, гуляющих в переполненной комнате: так же, как и мы, клетки движутся и взаимодействуют со своими соседями. Полосы появляются потому, что клетки очень тщательно инструктируют и сигнализируют друг другу о том, как себя вести. Они даже «пожимают друг другу руки» в некотором смысле, достигая отдаленных клеток.

С математической точки зрения полоски рыбок данио попадают в область самоорганизации, феномена, в котором индивиды взаимодействуют, создавая какой-то паттерн, намного больший, чем любой индивид, без внешнего направления. Стая птиц и стаи рыб также являются примерами самоорганизации в природе. Никто не пользуется мегафоном, чтобы выкрикивать указания, чтобы стая птиц или пигментные клетки производили рыбные полоски, но, что удивительно, они оба организовались, создавая узоры.

См. Также: ученые вычеркивают одно конкурирующее объяснение, почему у зебр есть полоски

До недавнего времени исследовательское сообщество считало, что в полосках рыбок данио участвуют только два типа клеток: черные и золотые полосы, то есть черные и золотые клетки. Однако эксперименты показали, что третий тип пигментных клеток - синие и серебряные иридофоры - имеет решающее значение для формирования структуры. Снимите его с кожи, и у рыбок данио появятся пятна!

Так как же тысячи разноцветных клеток на растущей рыбке данио работают вместе, чтобы последовательно образовывать полосы? Чтобы помочь ответить на этот вопрос, я разработал математическую модель в сотрудничестве с профессором прикладной математики Бьорном Сандстеде. В нашей модели пигментные клетки представляют собой цветные точки, следуя предписанным правилам и уравнениям о том, как они движутся, взаимодействуют и меняют свой цвет. Клетки с разными цветами ведут себя по-разному. Есть много вопросов о рыбках данио, поэтому мы решили сосредоточиться на новичках на сцене: этих надоедливых синих и серебряных клетках.

Математика предлагает другую точку зрения от типичных биологических экспериментов на рыбе. Биологи могут наблюдать за тем, как ведут себя клетки, но сложнее определить сигналы, лежащие в основе их поведения. Используя математические модели, мы можем протестировать множество различных возможных взаимодействий клеток и предложить, какие из них действительно способны объяснить поведение, наблюдаемое биологами. Затем биологи могут проверить наши прогнозы на реальной рыбе.

Наша модель предполагает наличие множества сигналов, которые инструктируют серебряные и синие клетки на коже рыбы. Все эти сигналы являются избыточными. Несколько подсказок - это все инструкции, которые могут понадобиться клетке в идеальном мире, но мир не идеален. Например, мы думаем, что соседние черные клетки сигнализируют иридофорам об изменении их плотности и цвета. Но если вокруг нет черных ячеек для передачи этого сигнала, отдаленные золотые ячейки могут заполнить и предоставить те же самые инструкции.

Смотрите также: Первое в истории видео о глубоководном сексе с рыбой-рыбаком

Вы можете думать об этих избыточных сигналах как о куче разных будильников. Если у вас есть важная встреча утром, вы можете установить будильник, поставить уведомление на свой телефон и попросить звонок для пробуждения. Вся эта избыточность означает, что вы, вероятно, получите кучу сигналов, чтобы проснуться. Но если ваш телефон умирает или администратор забывает позвонить, это также означает, что вы все равно успеете на встречу. Избыточность обеспечивает желаемый результат, даже если один сигнал дает сбой.

Та же идея может быть в работе у рыбок данио. Наша модель предполагает, что разноцветные клетки постоянно инструктируют друг друга. Это гарантирует, что синие и серебряные иридофоры будут избиты указаниями со всех сторон о том, как вести себя. Поскольку сигналов несколько, случайные сбои не слишком сильно нарушают закономерности. Результат: надежные полосы.

Почему это важно? Гены рыбок данио удивительно похожи на гены человека. Понимая, как пигментные клетки взаимодействуют у нормальных и мутированных рыбок данио, исследователи могут начать связывать гены с их функциями.

История о том, как форма узоров рыбок данио еще не закончена. Однако сейчас, когда вы в следующий раз увидите полосатую рыбу, подумайте над тем, чтобы задержать момент, чтобы распознать все рабочие пигментные клетки, использованные при создании этого шаблона. Эти надежные полосы чертовски удивительны.

Эта статья была первоначально опубликована в «Беседе» Александрии Волкенинг. Прочитайте оригинальную статью здесь.