ทำไม Zebrafish ถึงมีลายทาง? แบบจำลองคณิตศาสตร์อธิบายรูปแบบ

ลายเส้นเป็นเรื่องธรรมดาในชีวิตของเรา มันเป็นรูปแบบพื้นฐานที่สวยงามและง่ายต่อการรับ

ในฐานะนักคณิตศาสตร์ประยุกต์ที่ศึกษารูปแบบการก่อตัวในธรรมชาติ แต่ฉันรู้สึกประทับใจกับรูปแบบลายที่ zebrafish สวมทั่วร่างกายและครีบของมัน

ลองดูลายเส้นสีดำและสีทองของ zebrafish อย่างละเอียดและคุณจะเห็นเซลล์เม็ดสีที่มีสีแตกต่างกันนับหมื่นเซลล์ ฉันชอบจินตนาการถึงเซลล์เหล่านี้เมื่อผู้คนเดินไปมาในห้องที่แออัด: เหมือนกับเราเซลล์เคลื่อนที่และมีปฏิสัมพันธ์กับเพื่อนบ้าน แถบปรากฏขึ้นเนื่องจากเซลล์สั่งการอย่างระมัดระวังและส่งสัญญาณถึงวิธีการทำงาน พวกเขายัง“ จับมือ” ในบางแง่มุมโดยไปถึงเซลล์ที่อยู่ห่างไกล

จากมุมมองทางคณิตศาสตร์ลายเส้น zebrafish ตกอยู่ในพื้นที่ขององค์กรตนเองปรากฏการณ์ที่บุคคลมีปฏิสัมพันธ์ในการสร้างรูปแบบบางอย่างที่ใหญ่กว่าบุคคลใดโดยไม่มีทิศทางภายนอก ฝูงนกและปลาศึกษาเป็นตัวอย่างของการจัดระเบียบตนเองในธรรมชาติ ไม่มีใครโทรโข่งออกคำสั่งเพื่อให้ฝูงนกหรือเซลล์เม็ดสีสร้างลายปลา แต่ที่น่าทึ่งพวกเขาทั้งสองจัดระเบียบตัวเองเพื่อสร้างรูปแบบ

ดูเพิ่มเติมที่: นักวิทยาศาสตร์ตัดคำอธิบายการแข่งขันหนึ่งคำตอบว่าทำไมม้าลายมีแถบ

จนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้ชุมชนนักวิจัยคิดว่ามีเซลล์เพียงสองประเภทเท่านั้นที่มีส่วนร่วมในแถบ zebrafish: แถบสีดำและสีทองดังนั้นเซลล์สีดำและสีทอง อย่างไรก็ตามการทดลองแสดงให้เห็นว่าเซลล์เม็ดสีประเภทที่สาม - สีฟ้าและสีเงิน iridophores - มีความสำคัญต่อการสร้างรูปแบบ ลบออกจากผิวและมี zebrafish จุด!

ดังนั้นเซลล์ที่มีสีต่างกันหลายพันเซลล์บน zebrafish ที่เติบโตขึ้นทำงานร่วมกันอย่างไร เพื่อช่วยตอบคำถามนี้ฉันได้พัฒนาแบบจำลองทางคณิตศาสตร์โดยร่วมมือกับอาจารย์คณิตศาสตร์ Bjorn Sandstede ในแบบจำลองของเราเซลล์เม็ดสีเป็นจุดสีตามกฎและสมการที่กำหนดสำหรับการเคลื่อนที่ไปมาการโต้ตอบและการเปลี่ยนสี เซลล์ที่มีสีต่างกันจะทำงานในรูปแบบที่ต่างกัน มีคำถามมากมายเกี่ยวกับ zebrafish ดังนั้นเราจึงตัดสินใจที่จะมุ่งเน้นไปที่ฉากใหม่: เซลล์สีฟ้าและสีเงินที่น่ารำคาญ

คณิตศาสตร์เสนอมุมมองที่แตกต่างจากการทดลองทางชีววิทยาทั่วไปเกี่ยวกับปลา นักชีววิทยาสามารถดูว่าเซลล์มีพฤติกรรมอย่างไร แต่ก็มีความจำเป็นที่จะต้องอนุมานสัญญาณหลังพฤติกรรมของพวกเขา ด้วยการใช้แบบจำลองทางคณิตศาสตร์เราสามารถทดสอบการปฏิสัมพันธ์ระหว่างเซลล์ได้มากมายและแนะนำว่าอันไหนที่สามารถอธิบายพฤติกรรมนักชีววิทยาที่สังเกตได้ นักชีววิทยาสามารถทดสอบการคาดการณ์ของเราเกี่ยวกับปลาจริง

แบบจำลองของเราแนะนำว่ามีสัญญาณหลายอย่างในการทำงานที่สั่งให้เซลล์สีเงินและสีน้ำเงินบนผิวหนังปลา สัญญาณทั้งหมดเหล่านี้ซ้ำซ้อน สัญญาณบางอย่างเป็นคำสั่งทั้งหมดที่เซลล์อาจต้องการในโลกที่สมบูรณ์แบบ แต่โลกไม่สมบูรณ์แบบ ตัวอย่างเช่นเราคิดว่าเซลล์ดำใกล้เคียงส่งสัญญาณ iridophores เพื่อเปลี่ยนความหนาแน่นและสี แต่ถ้าไม่มีเซลล์สีดำอยู่รอบ ๆ ในการส่งสัญญาณนั้นเซลล์ทองคำที่อยู่ห่างไกลสามารถเติมและให้คำแนะนำเดียวกันได้

ดูเพิ่มเติม: วิดีโอครั้งแรกที่เคยมีเพศสัมพันธ์ของปลาทะเลลึกทำให้ผู้สอนศาสนาดูมีชีวิตชีวา

คุณสามารถนึกถึงสัญญาณที่ซ้ำซ้อนเหล่านี้ได้เช่นนาฬิกาปลุกหลายแบบ หากคุณมีการประชุมที่สำคัญในตอนเช้าคุณอาจตั้งนาฬิกาปลุกใส่การแจ้งเตือนบนโทรศัพท์ของคุณและขอให้โทรปลุก ความซ้ำซ้อนทั้งหมดหมายความว่าคุณอาจได้รับสัญญาณเตือนให้ตื่น แต่หากมีโอกาสที่โทรศัพท์ของคุณจะเสียชีวิตหรือไม่สามารถโทรติดต่อได้ที่แผนกต้อนรับก็หมายความว่าคุณยังสามารถเข้าประชุมได้ทันเวลา ความซ้ำซ้อนช่วยให้มั่นใจถึงผลลัพธ์ที่ต้องการแม้ว่าจะมีสัญญาณหนึ่งสัญญาณล้มเหลว

ความคิดเดียวกันอาจจะทำงานใน zebrafish แบบจำลองของเราแนะนำว่าเซลล์ที่มีสีต่างกันกำลังสอนกันและกันอยู่ตลอดเวลา สิ่งนี้ทำให้มั่นใจได้ว่าไอริโดฟอร์สีน้ำเงินและเงินจะกระเซ็นไปตามทิศทางจากทุกด้านเกี่ยวกับวิธีการปฏิบัติตน เนื่องจากมีสัญญาณหลายสัญญาณความล้มเหลวเป็นครั้งคราวจะไม่รบกวนรูปแบบมากเกินไป ผลลัพธ์ที่ได้: แถบที่เชื่อถือได้

ทำไมสิ่งนี้จึงสำคัญ ยีน Zebrafish นั้นคล้ายกับยีนของมนุษย์ โดยการทำความเข้าใจว่าเซลล์เม็ดสีมีปฏิกิริยาต่อเซเบอริชแบบปกติและแบบกลายพันธุ์นักวิจัยอาจเริ่มเชื่อมโยงยีนกับการทำงานของพวกมันได้

เรื่องราวของรูปแบบการทำ zebrafish ยังไม่เสร็จสมบูรณ์ สำหรับตอนนี้ในครั้งต่อไปที่คุณเห็นปลาลายลองหยุดสักครู่เพื่อจดจำเซลล์เม็ดสีทำงานทั้งหมดเพื่อสร้างรูปแบบนั้น ลายเส้นที่น่าเชื่อถือเหล่านั้นสวยน่าอัศจรรย์

บทความนี้ถูกตีพิมพ์ครั้งแรกใน The Conversation โดย Alexandria Volkening อ่านบทความต้นฉบับที่นี่