Движения хвоста сперматозоида объяснили математикой Алана Тьюринга
Ученые из Великобритании выяснили, что во время движения жгутик сперматозоида создает узоры по принципу, который описал Алан Тьюринг больше 70 лет назад. Иными словами, исследователи показали, что между движением сперматозоидов и формированием узоров в природе существует связь.
Алан Тьюринг — британский математик и криптограф. Ученого считают основоположником теоретической информатики и теории искусственного интеллекта, прародителем современных вычислительных систем. Прежде всего он известен тем, что во время Второй мировой войны помог «взломать» немецкие шифровальные аналоговые компьютеры («Энигма»). Это позволило моментально расшифровывать секретные сообщения немцев, что сыграло важнейшую роль во время войны на Западном фронте (но не на Восточном, поскольку СССР эту информацию не передавали).
Однако область интересов Тьюринга этим не ограничивалась. В 1950-х годах ученый выдвинул гипотезу, согласно которой замысловатые узоры на теле животных могут возникать из-за появления неоднородностей в исходной гомогенной смеси веществ.
Согласно Тьюрингу, такие сложные паттерны — результат распространения химических соединений (диффузии) и взаимодействия друг с другом. В дальнейшем гипотезу британского ученого стали называть «реакционно-диффузионная теория», или «паттерны Тьюринга». Эта математическая модель описывает, как, распространяясь, два взаимодействующих соединения могут самоорганизоваться в виде различных лент, точек, пятен или других форм. Она применима не только к «животным узорам», но и к другим типам макроскопических структур, возникающих в природе.
Группа ученых из Бристольского университета (Великобритания) под руководством биотехнолога Гермеса Блумфилда-Гаделья (Hermes Bloomfield-Gadelha) попыталась выяснить, существует ли связь между химическими закономерностями, создающими узоры, и тем, как движутся хвосты сперматозоидов. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Communications.
Хвост сперматозоида
Математика движения жгутика сперматозоида достаточно сложная. Это движение задают моторные белки, которые трансформируют химическую энергию, содержащуюся в аденозинтрифосфате, в механическую энергию движения. «Молекулярные моторы» приводят в действие комплекс крошечных микротрубочек — аксонему. Это тонкие структуры геометрических форм, длина которых может достигать 0,05 миллиметра — примерно половину толщины человеческого волоса.
Аксонема — активное ядро жгутика, которое отвечает за подвижность сперматозоидов. Их плавание (движение) — результат сложных взаимодействий между аксонемой, моторными белками и окружающей жидкостью.
Жидкая среда, в которой перемещаются сперматозоиды, создает сопротивление движению жгутика. Чтобы вращательные движения хвоста продвигали сперматозоид вперед, некоторые «химические факторы» должны достичь «равновесия».
Эксперимент
Сперва Блумфилд-Гаделья и его коллеги определили, насколько сильно окружающая жидкость влияет на движение жгутика. Для этого ученые создали компьютерную модель хвоста сперматозоида, которая вела себя практически так же, как реальный жгутик. Потом они провели компьютерный эксперимент со средой, близкой к естественной.
Моделирование показало, что жидкость с низкой вязкостью, к которой «приспособлены» сперматозоиды (речь о семенной жидкости), очень слабо влияет на движение и форму жгутика.
Затем, используя комбинацию математических моделей и имитаций, ученые выяснили, что «волнистость» в движениях жгутиков сперматозоидов возникает спонтанно, без влияния окружающей среды. Это означает, что хвост обладает надежным механизмом, позволяющим плавать в жидкостях с низкой вязкостью.
«Эти спонтанные движения жгутика возникают точно так, как и узоры, описанные моделью Тьюринга. Сходство между химическими паттернами и паттернами движения хвоста сперматозоида было для нас поразительным и неожиданным», — объяснил Блумфилд-Гаделья.
Ученые предположили, что во время движения жгутик сперматозоида создает узоры из-за двух причин. Первая — химические реакции, которые приводят в действие моторные белки. Вторая — изгибающее движение эластичного жгутика.
По мнению британских исследователей, моторные белки порождают «силы», сгибающие хвост. Если эластичный жгутик сперматозоида согнуть и отпустить, он начнет разгибаться до тех пор, пока не достигнет «равномерности». Другими словами, сгибательные и колебательные движения распространяются вдоль жгутика, подобно тому, как капля красителя распространяется в жидкости, пока цвет не станет «равномерным». Именно такой процесс восходит к математике Тьюринга.
Выводы ученых
Блумфилд-Гаделья пояснил, что результаты исследования его команды можно использовать в будущем для решения проблем с фертильностью, связанных с аномальным движением жгутика. Также они пригодятся в создании искусственных мышц и «одушевленных материалов» — смарт-материалов нового поколения, которые обладают качествами живых организмов.
Та же математика, описывающая движение жгутика сперматозоида, может быть применима к ресничкам. Это нитевидные клеточные структуры, которые обеспечивают подвижность клеток и проталкивают жидкость вдоль их поверхности. Ученые объяснили, что если понять, как двигаются реснички, это помогло бы лучше понять цилиопатию — генетическое заболевание, возникающее при нарушении структуры или функции ресничек.
Исследователи подчеркнули, что математика — несовершенный инструмент, когда речь заходит об изучении «совершенной работы природы». Предложенная «реакционно-диффузионная теория» Тьюринга может оказаться слишком простой для полного понимания процессов спонтанного движения жгутиков и ресничек. Тем не менее ученые надеются, что их открытие принесет пользу научному сообществу.
Telegram 
Дзен 
VK Швейцарские биологи выяснили, зачем обыкновенные сипухи носят демаскирующее белое оперение. В полнолуние белые хищники выстраивают траекторию полета так, чтобы отражать свет на добычу и провоцировать у грызунов реакцию оцепенения. Подобная тактика позволила белым самцам добывать больше пищи и тратить на охоту меньше времени по сравнению с их рыжими сородичами.
Проблема непереносимости глютена затрагивает до 150 миллионов человек во всем мире. Единственный выход — полностью исключить этот компонент из рациона. Однако существующий безглютеновый хлеб практически не содержит белка и клетчатки, быстро повышает уровень сахара и черствеет. При этом существующие зарубежные рецептуры разработаны под импортное сырье и технологии, что не позволяет применять их к российскому сырью. Ученые Пермского Политеха разработали новые рецептуры безглютенового хлеба и исследовали влияние многокомпонентных мучных композиций и добавок на его качество. Они впервые в России создали смеси, в которых по сравнению с существующими отечественными аналогами в два-три раза больше белка и жиров, а углеводов — на 30-50 процентов меньше.
Система доставки грузов с орбиты Starfall может приземлить тонну груза в любое место на нашей планете. Однако вскоре на базе сверхтяжелой ракеты и корабля Starship компания Илона Маска планирует развернуть систему доставки намного большей грузоподъемности. Согласно утечкам в СМИ, ею активно интересуются американские военные.
Паразитические организмы иногда не учитывают, что сами могут оказаться целью паразита более высокого уровня. Сосредотачивая все свои силы на инфицировании и размножении, они остаются беззащитными перед агрессивным специализированным нахлебником.
Интригующие испытания высотного ракетного двигателя Raptor Vacuum для корабля Starship, верхней ступени сверхракеты Илона Маска, парадоксальны. Его работа на уровне моря уже сама по себе загадка. Ведь, по классическим представлениям, высотные двигатели на уровне моря корректно не работают. А сопло RaptorVAC на наземном стенде извергает реактивную струю без всяких признаков нарушения работы. Как такое может быть?
В нижних и верхних слоях Урана астрономы впервые зарегистрировали угарный газ и циановодород. Новые данные указали на то, что недра планеты могут быть значительно обогащены кислородом. Это открытие поможет разрешить давнюю загадку о том, сформировался ли Уран иначе, чем его ближайший сосед Нептун, или их образование шло по схожему сценарию.
Хотя длительность помех не превышала десяти секунд, это первый известный случай такого рода. Обычно спутникам не хватает мощности для создания радиосигналов той силы, что нужна для подобных помех.
В доколумбовых Андах принадлежность к правящему роду определяла доступ к земле, торговле и статусу, поэтому удержать все внутри семьи было вопросом выживания. Ученые выяснили, что элиты долины Чинча решали эту задачу самым прямым способом — заключая браки между родственниками на протяжении как минимум двух поколений.
Вначале Reuters опубликовал статью о взаимоотношениях SpaceX и Пентагона, которую миллиардер --- традиционно для его отношений с этим изданием — назвал фейком. Опровергая ее тезисы, он обнародовал информацию, не представленную ранее публично.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно
Последние комментарии