왜 Zebrafish에는 줄무늬가 있습니까? 수학 모델은 패턴을 설명합니다

줄무늬는 우리 삶에서 흔합니다. 꽤 기본적인 패턴이고 당연한 것으로 여겨집니다.

패턴이 자연에서 어떻게 형성되는지 연구하는 응용 수학자로서, 제브라 피쉬가 몸과 지느러미를 가로 질러 착용하는 줄무늬 패턴에 감탄했습니다.

제브라 피쉬의 검정색 줄무늬와 금색 줄무늬를 자세히 살펴보면 수만 가지 색소 세포가 보일 것입니다. 나는이 세포를 복잡한 방에서 걸어 다니는 사람들로 생각하고 있습니다. 우리와 마찬가지로, 세포는 이동하여 이웃과 상호 작용합니다. 줄무늬가 나타나는 이유는 세포가 행동에 대해 서로주의 깊게 지시하고 신호를 보내기 때문입니다. 그들은 멀리있는 세포쪽으로 도달함으로써 어떤면에서 "악수"합니다.

수학적 관점에서 볼 때, 제브라 피쉬 줄무늬는 개인이 외부 방향없이 어떤 개인보다 훨씬 더 큰 패턴을 생성하기 위해 상호 작용하는 현상 인 자기 조직의 영역으로 떨어집니다. 조류 무리와 학교 물고기 또한 본질적으로 자기 조직의 예입니다. 조류를 무리 나 색소 세포가 물고기 줄무늬를 만들도록 지시를 내리는 확성기에 아무도 없다. 그러나 놀랍게도 그들은 패턴을 만들기 위해 스스로를 구성한다.

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최근까지 연구진은 제브라 피쉬 줄무늬와 관련된 두 가지 유형의 세포, 즉 검은 줄무늬와 금 줄무늬, 검은 색과 금색 세포 만 생각했습니다. 그러나 실험에 따르면 세 번째 유형의 안료 세포 (파란색과 은색 도자)가 패턴 형성에 중요합니다. 피부에서 제거하고 제브라 피쉬에 얼룩이 있습니다!

그렇다면 성장하는 제브라 피쉬에서 수천 개의 서로 다른 색의 세포가 함께 작용하여 줄무늬를 일관되게 형성합니까? 이 질문에 답하기 위해 저는 응용 수학 교수 Bjorn Sandstede와 공동으로 수학 모델을 개발했습니다. 우리 모델에서 안료 세포는 규정 된 규칙과 방정식을 따라 움직여서 움직이고, 상호 작용하며 색상을 변화시키는 점들로 점을 찍습니다. 다른 색상의 셀은 다른 방식으로 작동합니다. 제브라 피쉬에 관해 많은 질문이 있습니다. 그래서 우리는 현장에 새로 온 사람들, 즉 성가신 파란색과 은색 세포에 집중하기로했습니다.

수학은 물고기에 대한 전형적인 생물학적 실험과는 다른 관점을 제공합니다. 생물 학자들은 세포가 어떻게 행동 하는지를 볼 수 있지만, 행동의 신호를 추론하는 것은 더 까다 롭습니다. 수학적 모델을 사용하여 가능한 많은 세포 상호 작용을 시험 할 수 있으며 실제로 생물 학자들이 관찰하는 행동을 설명 할 수있는 것이 무엇인지 제안 할 수 있습니다. 생물 학자들은 실제 물고기에 대한 우리의 예측을 테스트 할 수 있습니다.

우리 모델은 물고기 피부에 은색과 청색 세포를 지시하는 여러 신호가 있음을 제안합니다. 이 모든 신호는 중복됩니다. 몇 가지 신호는 세포가 완벽한 세계에서 필요로하는 모든 지시이지만 세상은 완벽하지 않습니다. 예를 들어, 근처의 흑색 세포가 이리듐 입자의 밀도와 색을 변화시키는 신호를 보낸다고 생각합니다. 그러나 그 신호를 전송하는 주변에 검은 색 셀이 없으면 먼 금 세포가 채워져 동일한 지시를 제공 할 수 있습니다.

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이러한 중복 신호는 다양한 알람 시계처럼 생각할 수 있습니다. 아침에 중요한 회의가있는 경우 알람 시계를 설정하고 휴대 전화에 알림을 보내고 모닝콜을 요청할 수 있습니다. 이 모든 중복성은 당신이 아마 깨어나 신호의 뭉치를 얻을 것을 의미합니다. 그러나 전화가 끊어 지거나 프론트 데스크가 전화를 걸지 못하는 기회가 생기면 회의에 곧 도착할 것입니다. 중복성은 하나의 신호가 실패하더라도 원하는 결과를 보장합니다.

같은 생각이 제브라 피쉬에서 일할 수도 있습니다. 우리의 모델은 서로 다른 색깔의 세포가 끊임없이 서로에게 지시하고 있음을 제시합니다. 이것은 블루와 실버 이리도 포어가 모든면에서 어떻게 행동해야하는지 지시를 받도록합니다. 신호가 여러 개이기 때문에 가끔 실패해도 패턴이 너무 많이 손상되지는 않습니다. 결과: 신뢰할 수있는 스트라이프.

왜 이것이 중요한가요? Zebrafish 유전자는 놀랍게도 인간 유전자와 유사합니다. 색소 세포가 정상 및 돌연변이 체 zebrafish에서 어떻게 상호 작용하는지 이해함으로써 연구원은 유전자를 기능에 연결시킬 수 있습니다.

제브라 피쉬 패턴이 어떻게 형성되는지에 대한 이야기는 아직 끝나지 않았습니다. 당분간, 다음에 줄무늬가있는 물고기를 볼 때 잠깐 멈추어 그 모양을 만드는 모든 색소 세포를 인식하도록하십시오. 그 신뢰할 수있는 줄무늬는 꽤 놀랍다.

이 기사는 원래 Alexandria Volkening의 The Conversation에 게시되었습니다. 여기에 원본 기사를 읽으십시오.