Защо да има зефира? Математически модел обяснява модела

Ивиците са често срещани в нашия живот. Това е доста основен модел и лесно се приема за даденост.

Като приложен математик, който изучава как се формират моделите в природата, обаче, аз съм учуден от шарени модели, които зебрата носи по тялото и перките.

Погледнете отблизо черните и златните ивици на рибата-зебра и ще видите пигментни клетки с различно оцветяване, десетки хиляди. Обичам да представя тези клетки като хора, които ходят наоколо в претъпкана стая: Точно като нас, клетките се движат и си взаимодействат със своите съседи. Появяват се ивици, защото клетките внимателно инструктират и сигнализират взаимно как да се държат. Те дори "се ръкуват" в някакъв смисъл, като се насочват към отдалечени клетки.

От математическа гледна точка, ивиците зебра са попаднали в полето на самоорганизация, феномен, при който индивидите взаимодействат, за да произвеждат някакъв модел, много по-голям от всеки индивид, без външна посока. Ятовете на птиците и училищните риби също са примери за самоорганизация в природата. Никой не е на мегафон, който извиква посоки, така че птиците стада или пигментни клетки произвеждат ивици от риба, но забележително, и двамата се организират, за да създават модели.

Вижте също: Учените кръстосват едно конкурентно обяснение Защо Зебрите имат ленти

Доскоро научноизследователската общност смяташе, че само два типа клетки участват в ивици зебиса: черни и златни ивици, черни и златни клетки. Опитите обаче показват, че трети тип пигментни клетки - сини и сребърни иридофори - е от решаващо значение за формирането на образци. Извадете го от кожата, а зебрата има петна!

И така, как хиляди клетки с различно оцветяване на нарастваща зебика работят заедно, за да образуват последователно ивици? За да отговоря на този въпрос, разработих математически модел в сътрудничество с преподавателя по приложна математика Бьорн Санстеде. В нашия модел пигментните клетки са оцветени точки, следвайки предписаните правила и уравнения за това как те се движат, взаимодействат и променят цвета си. Клетките с различни цветове се държат по различен начин. Има много въпроси за зебрата, затова решихме да се съсредоточим върху новодошлите на сцената: тези досадни сини и сребърни клетки.

Math предлага различна перспектива от типичните биологични експерименти с риба. Биолозите могат да наблюдават поведението на клетките, но е по-трудно да се изведат сигналите зад тяхното поведение. Използвайки математически модели, можем да тестваме много различни възможни клетъчни взаимодействия и да предложим кои са всъщност способни да обяснят поведението, което биолозите наблюдават. След това биолозите могат да тестват нашите прогнози за реална риба.

Нашият модел предполага, че има много сигнали по време на работа, които инструктират сребърните и сините клетки на кожата на рибата. Всички тези сигнали са излишни. Няколко сигнала са цялата инструкция, от която една клетка може да се нуждае в един съвършен свят, но светът не е съвършен. Например, ние смятаме, че близките черни клетки сигнализират иридофорите да променят своята плътност и цвят. Но ако няма никакви черни клетки, които да предават този сигнал, далечните златни клетки могат да попълнят и предоставят същите инструкции.

Виж също: Първоначално видео на дълбокото морско гнездово секс, което прави мисионерския поглед крещящ

Можете да мислите за тези излишни сигнали като куп различни алармени часовници. Ако имате важна среща сутрин, можете да зададете будилник, да поставите известие на телефона си и да поискате обаждане за събуждане. Всичко това съкращение означава, че вероятно ще получите куп реплики, за да се събудите. Но в случай, че телефонът ви умре или рецепцията ви забрави да се обадите, това означава, че все пак ще стигнете до срещата си навреме. Резервирането осигурява желания резултат, дори ако един сигнал не успее.

Същата идея може да бъде и в областта на рибата зебра. Нашият модел предполага, че клетките с различно оцветяване непрекъснато се инструктират. Това гарантира, че сините и сребърните иридофори ще се ударят с посоки от всички страни за това как да се държат. Тъй като има много сигнали, случайните неуспехи не нарушават твърде много моделите. Резултатът: надеждни ивици.

Защо това е важно? Гените на зебра са изненадващо сходни с човешките гени. Чрез разбирането как пигментните клетки взаимодействат при нормални и мутирали рибки, изследователите могат да започнат да свързват гените с тяхната функция.

Историята за това, как моделите с рибена рибка все още не са завършени. Засега обаче, следващия път, когато видите риба с райе, помислете за пауза за момент, за да разпознаете всички работещи пигментни клетки, въведени в създаването на този модел. Тези надеждни ивици са дяволски невероятни.

Тази статия първоначално е публикувана на The Conversation by Alexandria Volkening. Прочетете оригиналната статия тук.