Ugyanaz a mintázat okozza a spermiumok úszását, ami a zebra csíkjait megszabja

Csík mintázatok.

A kémiai interakciók mintázata mintázatokat hoz létre a természetben, mint például a csíkok és a foltok. Egy új tanulmány azt mutatja, hogy ezeknek a mintázatoknak a matematikai alapja irányítja a hímivarsejtek ostorának mozgását is. - írja a Bristoli Egyetem honlapján.

A Nature Communications magazinban megjelent tanulmány bebizonyítja, hogy például a spermium ostorának és a csilló mozgása ugyanazt a sablont követi a mintázat kialakulását illetően, amit Alan Turing felfedezett. Az ostor hullámzása csík mintázatokat hoz létre a téridőben, hullámokat generálva, amik végighaladnak az ostoron, így hajtva előre a spermiumsejtet és a mikrobákat.

Alan Turing leginkább az enigma feltöréséről ismert. De létrehozta annak a mintázat kialakulásának elvét is, ami előre jelzi, hogy a kémiai mintázatok spontán megjelenhetnek és csak csak két összetevőjük van: vegyszerek szétszóródása (diffundálás) és együtt reagálásuk. Turing javasolta először az úgyneevezett reakció-diffúzió teóriát a mintázat kialakulására. Ma ezeket a kémiai mintázatokat Turing-mintázatoknak nevezik.

Csík mintázatok. Forrás: https://www.bristol.ac.uk/news/2023/september/sperm-swimming-patterns.html

Bár kísérletileg még nincs bizonyítva, úgy vélik, ezek a mintázatok irányítanak sok természetbeni mintázatot, mint például a leopárd foltjai, a napraforgó fejében lévő magvak, és a tengerparton lévő homok mintázatok. Turing elmélete alkalmazható különböző területeken, például a biológia, robotika, asztrofizika.

Turing segített egyengetni az útját egy egészen új vizsgálat típusnak, ami a reakció-diffúzió matematikát használja a természet mintázatainak megismerésére.

Ostor és csilló spontán mozgása mindenütt megfigyelhető a természetben, de keveset tudunk arról, hogyan működnek. Meghatározóak egészség és betegség szempontjából, a reprodukció, az evolúció és a Földön élő majdnem minden vízi mikroorganizmus túlélése szempontjából.

A Bristoli Egyetem csapatát az inspirálta, hogy nemrégiben megfigyelték, hogy a kis viszkozitású folyadékokban a környező környezetnek kis hatása van az ostorra. Matematikai modellezéssel, szimulációkkal, és adat illesztéssel bebizonyították, hogy az ostor hullámzásai spontán megjelennek folyadék környezetük hatása nélkül. Matematikailag ez ekvivalens a Turing reakció-diffúzió rendszerével, amit először javasoltak a kémiai mintázatokra.

Csík mintázatok a téridőben. Forrás: https://www.bristol.ac.uk/news/2023/september/sperm-swimming-patterns.html

A spermium úszásának esetében, a molekuláris motorok kémiai reakciója hajtja az ostort, és az elhajlás mozdulat hullámokban szóródik szét az ostoron.

A vizuális mintázatok és a mozgás mintázatok közti általánosság meglepő és váratlan, és azt mutatja, hogy csak két egyszerű összetevő szükséges a nagyon komplex mozgás eléréséhez. A kutatók megmutatták, hogy ezt a matematikai "receptet" két nagyon távoli faj követi - a bika hímivarsejtje és a Chlamydomonas (egy zöld alga, amit modell organizmusnak használnak a tudományban), ami azt sugallja, hogy a természet hasonló megoldásokat ismétel. Haladó hullámok spontán kialakulnak még akkor is, amikor az ostorra nincsenek hatással a környező folyadék erői. Ez azt jelenti, hogy az ostornak üzembiztos mechanizmusa van, ami képessé teszi kis viszkozitású környezetben való úszásra, ami másként nem volna lehetséges a vízi fajoknak.

Ez az első eset, hogy a modell szimulációk jól összehasonlíthatók a kísérleti adatokkal.

Ezek a felfedezések használhatók lehetnek a jövőben, hogy jobban megértsük az abnormális ostormozgással összefüggő termékenységi és más ciliopátiákat (nem hatékony ciliák okozta betegségek az ember testében). Használható lehetne a robotikában is, a mesterséges izomoknál, és animált anyagoknál, mivel a csapat felfedezett egy egyszerű matematikai receptet a mozgási mintázatok gyártására.

1952-ben Turing feltörte a kémiai mintázatok reakció-diffúzió alapját. A bristoli kutatók megmutatták, hogy a sejtes világban a mozgás "atomja", az ostor Turing sablonját használja a mintázáshoz, nem pedig mozgás mintázatok irányítják a spermasejtet előre toló ostor mozgást.

Animált reakció-diffúzió mintázatok az ostorban. Forrás: https://www.bristol.ac.uk/news/2023/september/sperm-swimming-patterns.html

A kutatók azt mondják, hogy bár egy lépéssel közelebb kerültek, hogy matematikailag dekódolják a spontán animációt a természetben, reakció-diffúzió modelljük túlságosan egyszerű, hogy teljesen megragadja az egész komplexitást. Létezhetnek más modellek, a modellek területén, melyek ilyenek, vagy még jobbak, amik egyeznek a kísérletekkel, amiknek a a létezéséről még nem tudunk, és így lényegesen több kutatás szükséges.

(Forrás: Bristoli Egyetem: https://www.bristol.ac.uk/)