• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
27.11.2023
Игорь Байдов
14 403

Движения хвоста сперматозоида объяснили математикой Алана Тьюринга

4.3

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.

Жгутик сперматозоидов
© Shutterstock / Автор: Caristania Fabricius

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.

Поперечный срез аксонемы
Поперечный срез аксонемы / © Wikipedia

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.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Предстоящие мероприятия
Вчера, 11:32
Александр Березин

Falcon 9 Block 5 впервые за три сотни запусков дал частично неудачный полет. Ракета выводила 20 спутников компании SpaceX, с 15 связь уже пропала, еще пять могут быть потеряны в ближайшее время.

9 часов назад
Татьяна

Все клеточные организмы ученые ведут от гипотетического предка — LUCA. Существует масса предположений и расчетов о том, как он был устроен, где и когда возник. В новой работе исследователи из Великобритании попытались ответить на эти вопросы.

Вчера, 14:55
Татьяна

Американские астронавты давно жалуются на систему ассенизации в скафандрах, которая представляет собой просто большой подгузник. Хватает его максимум на восемь часов, есть риск развития опрелостей и инфекций. К тому же в костюме мало запасов питьевой воды. Чтобы решить эти проблемы, ученые предложили более эффективный способ утилизации продуктов метаболизма.

Вчера, 11:32
Александр Березин

Falcon 9 Block 5 впервые за три сотни запусков дал частично неудачный полет. Ракета выводила 20 спутников компании SpaceX, с 15 связь уже пропала, еще пять могут быть потеряны в ближайшее время.

10 июля
Татьяна

Ученые из Китая проанализировали состав древнейших цирконов с помощью машинного обучения. В этих минералах хранится информация о процессах в недрах планеты. По мнению авторов нового исследования, все указывает на то, что перемещения плит в литосфере происходили уже в катархее, 4,2 миллиарда лет назад, то есть гораздо раньше предыдущих оценок.

8 июля
Полина Меньшова

Ученые из Великобритании предложили психофизиологическую модель, объясняющую, как именно физические упражнения облегчают симптомы депрессии. Особенно она применима к аэробной нагрузке, например ходьбе, подъему по лестнице, бегу.

25 июня
Игорь Байдов

Ученые из Китая и Бельгии воссоздали в лаборатории условия, существовавшие на Меркурии четыре миллиарда лет назад, и выяснили, что они были идеальными для образования слоя алмазов, который с течением времени становился лишь толще.

21 июня
Nadya

Земля начала формироваться примерно 4,5 миллиарда лет назад. Чтобы понять, как это происходило в ранние периоды развития нашей планеты, ученые ищут образцы древних горных пород. Одну из таких, возрастом почти 3,5 миллиарда лет, обнаружили рядом с городом Колли в Австралии.

1 июля
Александр Березин

Необычный биологический вид, по оценке авторов новой научной работы, пригоден для заселения четвертой планеты без каких-либо предварительных условий — уже в том виде, в котором он существует сейчас. Поскольку речь идет о фотосинтетическом организме, он способен нарабатывать существенное количество кислорода. Интересно, что кандидат на терраформирование Марса сохранил жизнеспособность после месяца в жидком азоте.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий
Подтвердить?
Подтвердить?
Причина отклонения
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно