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      物理學(xué)家開發(fā)描述生物系統(tǒng)長度增長的模型
      
			
      
				2019-07-12 08:52:04
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      “奶奶，你為什么要這么大的耳朵?” 這是文學(xué)中最著名的問題之一，當(dāng)然是紅騎兜帽，因?yàn)樗q豫地觀察著穿著祖母衣服的狼。如果紅帽是一名物理學(xué)家，她可能會問：'祖母，為什么你的兩只耳朵長度完全一樣?' 長期以來，科學(xué)家們已經(jīng)意識到這個(gè)“長度問題”，但在二十世紀(jì)的大部分時(shí)間里，它基本上被忽視了。
      

      物理學(xué)家開發(fā)描述生物系統(tǒng)長度增長的模型
      

      1998年獲得諾貝爾物理學(xué)獎的Robert B. Laughlin寫了一篇關(guān)于這個(gè)主題的有趣論文。 在“臨界波和生物學(xué)的長度問題”中，勞克林指出，長期以來，在了解生物如何調(diào)節(jié)其長度方面沒有取得重大進(jìn)展。他提出，生物可以自我調(diào)整，一旦獲得這些信息，他們就可以做出相應(yīng)的反應(yīng) - 例如，一旦這些肢體達(dá)到“理想”的大小，就停止長出手臂或腿。
      

      薩爾大學(xué)的物理學(xué)家已經(jīng)掌握了這些想法并開發(fā)了一個(gè)數(shù)學(xué)模型，可以用來描述生物系統(tǒng)如何測量它們的長度。研究生Frederic Folz在他的碩士論文中解決了這個(gè)問題，現(xiàn)在在 理論量子物理學(xué)教授Giovanna Morigi，理論教授Karsten Kruse共同撰寫的論文中，將這一結(jié)果發(fā)表在備受好評的期刊“ 物理評論”中。生物物理學(xué)和Lukas Wettmann，Kruse小組的博士生。
      

      科學(xué)家們選擇研究軸突作為他們的模型系統(tǒng)。軸突是神經(jīng)細(xì)胞(神經(jīng)元)的關(guān)鍵組成部分。軸突作為神經(jīng)細(xì)胞之間的聯(lián)系，使電信號從一個(gè)神經(jīng)元傳遞到另一個(gè)神經(jīng)元。由于軸突的長度可以從幾微米到幾米不等，因此生物體必須具有一些控制特定軸突應(yīng)該生長多長時(shí)間的方法。“我們已經(jīng)設(shè)法開發(fā)了一種機(jī)制模型，解釋了生物體如何做到這一點(diǎn)。該模型不僅解釋了神經(jīng)元如何確定自己的長度，還可以推廣到其他生物系統(tǒng)，“Frederic Folz解釋說。
      

      調(diào)節(jié)生物系統(tǒng)生長的化學(xué)信號分子的行為方式如下：'分子以化學(xué)波的形式通過系統(tǒng)擴(kuò)散，直到它們到達(dá)軸突的末端，'Folz說。如果這個(gè)“分子波”返回其原點(diǎn)的頻率很高，那么波通過的生物結(jié)構(gòu)很短; 如果這種循環(huán)的頻率很低，則化學(xué)品返回需要更長的時(shí)間，并且結(jié)構(gòu)相應(yīng)地大。分子在細(xì)菌內(nèi)移動幾微米所需的時(shí)間少于從根部到橡樹樹冠的行進(jìn)時(shí)間。物理學(xué)家使用數(shù)學(xué)模型描述了這種機(jī)制。
      

      研究人員推測，生物系統(tǒng)，例如樹，人或細(xì)胞，可以“測量”這些周期的頻率，因此可以確定并因此控制葉子或腿的長度。
      

      他們的工作對未來對各種疾病的研究具有根本重要性。“我們的模型還可用于電子行業(yè)，以調(diào)節(jié)不同的物理量，”Folz說。該模型還包含可以描述互聯(lián)網(wǎng)動態(tài)的元素，更一般地說，其他人工網(wǎng)絡(luò)，可以很好地形成這些領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展和改進(jìn)的基礎(chǔ)。
      
			

			
        
      
			
      
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