복잡한 동물 패턴: 새로운 연구가 이 질문에 답할 수 있습니다

스크립스의 자작나무 수족관

샌디에고의 버치 수족관(Birch Aquarium)에 있는 화려한 복어를 보고 콜로라도 볼더 대학(University of Colorado Boulder)의 연구자들은 이 종의 수컷이 어떻게 날카로운 육각형 표시를 갖게 되는지 궁금해했습니다.

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눈에 띄게 무늬가 있는 복어는 육각형 반점과 날카로운 선의 세부 묘사가 부족하지 않습니다. 이 종의 복잡한 표시는 너무 날카로워 콜로라도 볼더 대학의 엔지니어들조차 어리둥절했습니다. 그 독특한 모습을 얻는 방법에 대해.

유명한 수학자 앨런 튜링(Alan Turing) 그는 현대 컴퓨팅을 발명했습니다는 70여년 전에 동물들이 커피에서 크리머가 하는 방식과 유사하게 피부 조직을 통해 확산되는 화학 물질을 생산함으로써 패턴을 얻었다고 제안했습니다. 화학 물질은 반응하고 다른 요인은 활동을 억제하여 패턴을 만듭니다. 그러나 튜링의 이론은 화려한 복어와 같은 종에서 패턴이 어떻게 구체적으로 유지되는지 설명하지 못했습니다.

콜로라도 대학 볼더(University of Colorado Boulder)의 엔지니어 팀은 발표된 새로운 연구에서 확산 광영동(diffusion photophoresis)이라는 메커니즘이 어떻게 선명한 패턴을 생성할 수 있는지 발견했습니다. 수요일 과학 발전. 확산 전기영동 과정은 반응에 반응하여 액체에 부유하는 분자의 움직임을 설명합니다. 농도 구배 별도의 화학물질로 인해 작은 분자(이 경우 색소 세포)가 집중되어 서로 뭉치게 됩니다.

과학자들이 이 과정을 포함하도록 수정된 튜링 방정식을 계산했을 때, 그들이 만든 시뮬레이션은 튜링의 이론만으로는 생성할 수 없는 모호하고 불확실한 점과 달리 입자의 경로가 항상 넓은 선을 생성한다는 것을 보여주었습니다.

연구 공동 저자는 “만약 널리 퍼져 있으면 패턴이 그렇게 선명하지 않아야 하고 색상도 그렇게 눈에 띄지 않아야 한다는 점이 우리에게 어떤 흥미로웠는지”라고 말했습니다. 앙쿠르 굽타, 콜로라도 볼더 대학의 화학 및 생물 공학 조교수. “그렇다면 무엇이 이러한 패턴을 이렇게 놀랍도록 선명하게 만드는가? 확산 전기영동이 필요한 곳입니다.”

엔지니어들의 연구 결과에 따르면 화학 작용제가 확산됨에 따라 크로마토포어가 형성됩니다. 또한 확산 전기영동 과정에서 경로를 따라 끌려가며 윤곽선이 더 명확하게 정의된 점과 선을 만듭니다. 보도 자료에 따르면 공부 중.

굽타는 이번 발견이 다른 종의 형태발생과 생물학적 과정뿐만 아니라 배발생과 종양발생과 관련된 확산 영동법에 대한 추가 연구를 촉진할 것이라고 말했다.

“인터페이스를 선명하게 한다는 아이디어는 좋은 아이디어이며 생물학적 기능에 확실히 중요합니다”라고 그는 말했습니다. 앤드루 크라우스 박사영국 더럼대학교 응용수학과 조교수 튜링 이론 연구이메일로.

“확산과 같은 수학적 아이디어는 종종 ‘부드러운’ 또는 연속적인 인터페이스로 이어지는 반면, 생물학적 조직의 대부분의 경계(예: 장기 사이의 경계 등)는 상대적으로 단단합니다.”라고 이번 연구에 참여하지 않은 Kraus는 말했습니다. 유전자 발현 영역을 선명하게 하는 최소한 한 가지 방법이 있습니다.”

튜링의 가설은 1952년 그가 쓴 “형태 발생의 화학적 기초”라는 제목의 논문에서 처음 나타났습니다. 그의 이론은 동물의 패턴이 무작위가 아니라 오히려 호랑이에 호랑이 반점이나 줄무늬가 나타나게 하는 화학적 반응과 확산의 과정이라고 주장했습니다. 워릭대학교.

확산 과정은 최근 연구를 기반으로 튜링의 이론을 개선하기 위해 제안된 수정이지만 다른 솔루션도 가능할 수 있다고 그는 말했습니다. 제레미 그린King’s College London의 발달 생물학 교수.

이번 연구에 참여하지 않은 그린은 이메일에서 “세포는 매우 끈적하고 확산 전기영동으로는 움직일 가능성이 거의 없다”고 말했다. “튜링 패턴(또는 실제로 모든 경계)을 선명하게 하기 위한 세포의 이동은 새로운 아이디어가 아니며 주화성(활성 세포 이동)뿐만 아니라 다른 메커니즘에 의해서도 발생할 수 있습니다.”

그린은 이 연구가 미래의 모델링과 실험에 영향을 미칠 가능성이 있다고 믿지만 튜링 이론에는 아직 탐구되지 않은 구멍이 있다고 말했습니다. 그린 공동저자 A 2012년 2월 연구 쥐의 입천장에 생긴 돌기와 관련된 튜링의 이론을 뒷받침하는 증거를 찾았습니다.

굽타는 이메일에서 “우리는 연구에서 다른 가능성을 고려했고 화학주성, 즉 세포 이동과 같은 과정의 존재를 인정했습니다.”라고 말했습니다. “우리는 확산 광영동이 유일한 메커니즘이라고 주장하려는 것이 아니라 그것이 존재하지만 제대로 평가되지 않았다고 주장하려는 것입니다. 확산을 포함하면 그러한 예측의 견고성을 향상시키는 데 도움이 됩니다.”