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 Астрономы впервые напрямую связали основание гигантского джета с «тенью» впервые «сфотографированной» сверхмассивной черной дыры M87*. Анализ данных, полученных с помощью Телескопа горизонта событий (EHT), позволил проследить, где именно формируется релятивистская струя и лучше понять механизмы ее возникновения.
С середины XX века мирный атом ассоциируют прежде всего с АЭС. Но при всей важности последних иногда за ними не видят многие другие сферы применения атомных технологий — от транспорта до лечения заболеваний и применения в сельском хозяйстве, новых технологий получения сложных материалов и производства аккумуляторов. Всего на неэнергетические цели на планете работают 223 реактора. Попробуем разобраться, чем они занимаются и какие еще направления находятся в фокусе атомной отрасли.
Число устойчивых к антибиотикам инфекций растет на 15% в год, унося миллионы жизней. Схожая проблема есть в онкологии. Существующие методы лечения — комбинированная и точечная терапия — несовершенны: первая слишком токсична, а вторая теряет эффективность из-за мутаций. Перспективная альтернатива — молекулярные гибриды, атакующие болезнь сразу по нескольким направлениям. Однако их создание сдерживает фундаментальное ограничение: современные технологии не могут придать этим молекулам стабильную 3D-форму, необходимую для точного воздействия. Чтобы решить эту проблему, ученые Пермского Политеха разработали метод, который заставляет гибридную молекулу самостоятельно принимать нужную трехмерную структуру. Это позволило получить новые соединения с потенциальным противоопухолевым и противовоспалительным действием.
Международная команда палеонтологов описала новый вид динозавра размером с крупную современную птицу. Он носил на голове плотный костяной нарост, который эти животные, возможно, использовали для внутривидовых разборок. Находка показывает, что даже мелкие хищники мелового периода могли решать конфликты не только когтями и зубами, но и ударами головой.
Кэтлин Рубинс выступила перед комитетом Национальных академий США и рассказала, что не так с новыми скафандрами для близкой высадки американцев на Луне. Учитывая ее 300-дневный опыт пребывания в космосе, критика выглядит довольно обоснованной. В прошлом году Рубинс ушла с поста руководителя отделения внекорабельной деятельности отдела астронавтов, где она участвовала в разработке новых лунных скафандров.
Некоторые исследователи предполагали, что по мере исчезновения морского льда белые медведи потеряют кормовую базу и начнут умирать от истощения. Однако их популяция, живущая в районе максимального исчезновения морского льда, напротив, существенно прибавила в весе.
От рыб произошли все наземные позвоночные, включая нас, но как именно рыбы стали главным населением морей — до последнего времени оставалось неясным. Авторы новой научной работы попытались доказать, что причиной этого было вымирание, возможно, вызванное белыми ночами.
Международная команда палеонтологов описала новый вид динозавра размером с крупную современную птицу. Он носил на голове плотный костяной нарост, который эти животные, возможно, использовали для внутривидовых разборок. Находка показывает, что даже мелкие хищники мелового периода могли решать конфликты не только когтями и зубами, но и ударами головой.
Образцы грунта, взятые астронавтами полвека назад, вложили еще один важный кирпич в здание научной картины мира: гипотеза о том, что Земля исходно была сухой, не стыкуется с фактами. Похоже, идею о невозможности сохранения большого количества воды на «теплых» планетах придется пересмотреть.
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