Уведомления
Авторизуйтесь или зарегистрируйтесь, чтобы оценивать материалы, создавать записи и писать комментарии.
Авторизуясь, вы соглашаетесь с правилами пользования сайтом и даете согласие на обработку персональных данных.
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 Ученые из МФТИ разработали и предложили новую систему единиц для электродинамики, способную примирить два главенствующих, но исторически несовместимых подхода. Эта компромиссная система, названная авторами физико-технической (ФТ), сохраняет практическое удобство Международной системы единиц (СИ), используемой инженерами по всему миру, и в то же время отражает теоретическую стройность и симметрию гауссовой системы (СГС), предпочитаемой физиками-теоретиками.
Ученые из коллаборации LIGO, VIRGO и KAGRA впервые зафиксировали гравитационно-волновые события, указывающие на существование черных дыр второго поколения — «потомков» предыдущих слияний. Открытие позволит понять, как именно во Вселенной рождаются сверхмассивные черные дыры.
Эксперимент, устроенный в морском аквариуме в Лос-Анджелесе, продемонстрировал, что акулы и скаты, принадлежащие к пластиножаберным рыбам, могут обладать более высоким уровнем интеллекта. Значит, им необходима обогащенная среда обитания при содержании в неволе.
Ученые из МФТИ разработали и предложили новую систему единиц для электродинамики, способную примирить два главенствующих, но исторически несовместимых подхода. Эта компромиссная система, названная авторами физико-технической (ФТ), сохраняет практическое удобство Международной системы единиц (СИ), используемой инженерами по всему миру, и в то же время отражает теоретическую стройность и симметрию гауссовой системы (СГС), предпочитаемой физиками-теоретиками.
Исследователи объяснили, как цивилизация майя добивалась высокой точности в предсказании солнечных затмений на протяжении столетий. Для коррекции накапливающихся астрономических неточностей они использовали сложную систему пересекающихся календарных таблиц.
В последние годы содержание кошек дома без возможности свободного выгула все чаще преподносят как идеальную модель, которая ограждает дикую фауну от нападений и обеспечивает благополучие самих питомцев. Подобные утверждения в разных частях мира звучат от некоторых защитников природы и представителей властей. Однако группа ветеринаров из Австралии и Дании недавно раскритиковала такой подход. Ученые не спорят с тем, что кошки влияют на уязвимые экосистемы и что ограничение их свободы — действенная мера по смягчению этого эффекта. Тем не менее исследователи настаивают, что жизнь в изоляции для питомцев совсем не благо. Заявляющие обратное как минимум ошибаются, а в худшем случае намеренно вводят общественность в заблуждение.
Проанализировав данные наблюдений, полученных с помощью наземных обсерваторий за последние два десятилетия, астрономы обнаружили потенциально обитаемый мир — суперземлю Gliese 251 c (GJ 251 с). Планета обращается вокруг красного карлика на расстоянии около 18 световых лет от Земли и считается одним из самых перспективных кандидатов для поисков жизни.
Согласно новой гипотезе, сознание возникает не только из-за активности нейронов, но и благодаря физическим процессам — электромагнитным полям от движения жидкости в мозге. Эта модель, как и ее предшественники, пока носит теоретический характер, но предлагает нестандартный взгляд на проблему синхронизации работы разных отделов мозга.
В современном доме, насыщенном разнообразной техникой, удлинители стали незаменимым атрибутом, позволяющим обеспечить электропитанием все необходимые устройства. Однако мало кто задумывается, что привычное использование этого аксессуара может нести серьезную угрозу безопасности. По статистике, значительная часть бытовых пожаров происходит из-за неправильной эксплуатации электропроводки и вспомогательных устройств. Какие приборы категорически нельзя подключать через удлинители и почему это может привести к трагическим последствиям, рассказывает профессор кафедры наноэлектроники РТУ МИРЭА, доктор физико-математических наук Алексей Юрасов.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
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