斑馬魚(yú)是如何得到它的條紋
條紋在我們的生活中很常見(jiàn)。這是一個(gè)非?;镜哪J剑苋菀桌硭?dāng)然。作為一名應(yīng)用數(shù)學(xué)家,他研究自然界中的模式是如何形成的,但我對(duì)斑馬魚(yú)穿過(guò)它的身體和鰭的條紋圖案感到驚訝。
仔細(xì)看看斑馬魚(yú)的黑色和金色條紋,你會(huì)看到不同顏色的色素細(xì)胞,成千上萬(wàn)。我喜歡設(shè)想這些細(xì)胞就像人們?cè)趽頂D的房間里走動(dòng)一樣:就像我們一樣,細(xì)胞移動(dòng)并與鄰居互動(dòng)。條紋出現(xiàn)是因?yàn)榧?xì)胞非常仔細(xì)地指示并相互發(fā)出關(guān)于如何表現(xiàn)的信號(hào)。他們甚至在某種意義上通過(guò)向遙遠(yuǎn)的細(xì)胞伸出手而“握手”。
從數(shù)學(xué)的角度來(lái)看,斑馬魚(yú)條紋屬于自組織領(lǐng)域,這種現(xiàn)象是個(gè)體相互作用產(chǎn)生比任何個(gè)體大得多的圖案,沒(méi)有外部方向。鳥(niǎo)群和學(xué)校魚(yú)也是自然組織的例子。沒(méi)有人在擴(kuò)音器上呼喚方向,以便鳥(niǎo)類聚集或色素細(xì)胞產(chǎn)生魚(yú)條紋,但顯然,他們都組織自己創(chuàng)造模式。
直到最近,研究界還認(rèn)為斑馬魚(yú)條紋中只涉及兩種類型的細(xì)胞:黑色和金色條紋,黑色和金色細(xì)胞。然而,實(shí)驗(yàn)表明,第三種類型的色素細(xì)胞 -藍(lán)色和銀色iridophores-對(duì)圖案形成至關(guān)重要。將它從皮膚上移除,斑馬魚(yú)有斑點(diǎn)!
那么,成長(zhǎng)中的斑馬魚(yú)上的數(shù)千種不同顏色的細(xì)胞如何協(xié)同工作以始終形成條紋?為了幫助回答這個(gè)問(wèn)題,我與應(yīng)用數(shù)學(xué)教授Bjorn Sandstede合作開(kāi)發(fā)了一個(gè)數(shù)學(xué)模型。在我們的模型中,顏料細(xì)胞是按照規(guī)定的規(guī)則和方程式著色的點(diǎn),用于它們?nèi)绾我苿?dòng),相互作用和改變它們的顏色。具有不同顏色的細(xì)胞以不同的方式表現(xiàn)。有很多關(guān)于斑馬魚(yú)的問(wèn)題,所以我們決定專注于現(xiàn)場(chǎng)的新手:那些討厭的藍(lán)色和銀色細(xì)胞。
數(shù)學(xué)提供了與魚(yú)類典型生物學(xué)實(shí)驗(yàn)不同的視角。生物學(xué)家可以觀察細(xì)胞的行為,但推斷其行為背后的信號(hào)更為棘手。使用數(shù)學(xué)模型,我們可以測(cè)試許多不同的可能的細(xì)胞相互作用,并建議哪些實(shí)際上能夠解釋生物學(xué)家觀察到的行為。然后,生物學(xué)家可以測(cè)試我們對(duì)真魚(yú)的預(yù)測(cè)。
我們的模型表明,工作中有多個(gè)信號(hào)指示魚(yú)皮上的銀色和藍(lán)色細(xì)胞。所有這些信號(hào)都是多余的。一些線索是完美世界中細(xì)胞可能需要的所有指令,但世界并不完美。例如,我們認(rèn)為附近的黑色細(xì)胞會(huì)發(fā)出iridophores信號(hào),以改變它們的密度和顏色。但是如果周圍沒(méi)有任何黑色單元傳輸該信號(hào),則遠(yuǎn)處的金單元可以填充并提供相同的指令。
您可以將這些冗余信號(hào)視為一堆不同的鬧鐘。如果您在早上舉行重要會(huì)議,您可以設(shè)置鬧鐘,在手機(jī)上發(fā)出通知并要求撥打電話。所有這些冗余意味著你可能會(huì)得到一堆線索來(lái)喚醒。但是,如果您的手機(jī)死機(jī)或前臺(tái)忘記撥打電話,這也意味著您仍然可以準(zhǔn)時(shí)到達(dá)您的會(huì)議。即使一個(gè)信號(hào)出現(xiàn)故障,冗余也可確保獲得所需的結(jié)果。
同樣的想法可能在斑馬魚(yú)中起作用。我們的模型表明,不同顏色的細(xì)胞不斷互相指導(dǎo)。這樣可以確保藍(lán)色和銀色的iridophores受到來(lái)自各方面的指示的打擊。因?yàn)橛卸鄠€(gè)信號(hào),偶爾的故障不會(huì)過(guò)多地破壞模式。結(jié)果:可靠的條紋。
為什么這很重要?斑馬魚(yú)基因與人類基因驚人相似。通過(guò)了解色素細(xì)胞如何在正常和突變的斑馬魚(yú)中相互作用,研究人員可能能夠開(kāi)始將基因與其功能聯(lián)系起來(lái)。
關(guān)于斑馬魚(yú)模式如何形成的故事尚未完成。但就目前而言,下次看到條紋魚(yú)時(shí),請(qǐng)考慮暫停一下,以識(shí)別所有用于創(chuàng)建該模式的色素細(xì)胞。那些可靠的條紋非常令人驚嘆。
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