Плавание спермы происходит по тем же закономерностям, которые, как полагают, определяют полоски зебры.

Считается, что закономерности химических реакций создают узоры в природе, такие как линии и пятна. Новое исследование Математическая основа этих закономерностей также определяет, как движется хвост сперматозоида, объясняет он.

Результаты были опубликованы сегодня в Природные коммуникацииОни показывают, что движение жгутиков – например, хвостиков сперматозоидов и ресничек – следует той же схеме формирования закономерностей, открытой математиком Аланом Тьюрингом.

Рябь жгутиков образует ленточные узоры в пространстве-времени, генерируя волны, которые движутся вдоль хвоста, продвигая сперматозоиды и микробы вперед.

Алан Тьюринг известен тем, что помог взломать тайный код во время Второй мировой войны. Однако он также разработал теорию формирования паттернов, которая предсказывала, что химические паттерны могут возникать спонтанно только с двумя компонентами: химическими веществами, диффундирующими (диффундирующими) и взаимодействующими друг с другом. Тьюринг первым предложил так называемую теорию взаимодействия-диффузии формирования паттернов.

Тьюринг помог проложить путь к совершенно новому типу исследований, использующих математику реакции и диффузии для понимания природных закономерностей. Сегодня эти химические закономерности, впервые предложенные Тьюрингом, называются паттернами Тьюринга. Хотя эти закономерности еще не подтверждены экспериментальными данными, считается, что эти закономерности управляют многими закономерностями в природе, такими как пятна тигра, круг семян в головке подсолнуха и узоры на песке на пляже. Теория Тьюринга может применяться в различных областях: от биологии и робототехники до астрофизики.

Математик доктор Гермес Гадилья, руководитель лаборатории полиматематики Бристольского университета и доктор философии. Студент Джеймс Касс провел это исследование в Школе инженерной математики и технологий Бристольского университета.

«Спонтанное, живое движение жгутиков и ресничек наблюдается повсюду в природе, но мало что известно о том, как они скоординированы. Они важны для здоровья и болезней, размножения, развития и выживания почти всех водных микроорганизмов на Земле», Гаделья объяснила.

Команда была вдохновлена ​​недавними наблюдениями в жидкостях с низкой вязкостью о том, что окружающая среда играет незначительную роль в жгутиках. Они использовали математическое моделирование, симуляцию и сопоставление данных, чтобы показать, что жгутиковая рябь может возникать спонтанно, без влияния их жидкой среды.

Математически это эквивалентно системе диффузии реакции Тьюринга, которая была впервые предложена для химических структур.

В случае плавающих сперматозоидов химические реакции молекулярных моторов приводят в действие жгутик, и изгибающее движение распространяется вдоль хвоста волнообразно. Уровень общности между визуальными паттернами и моделями движений поразителен и неожидан, показывая, что для достижения очень сложного движения необходимы только два простых компонента.

«Мы показали, что этому математическому «рецепту» следуют два очень далеких вида – сперматозоиды быка и хламидомонада (зеленые водоросли, используемые в науке в качестве модельного организма), что позволяет предположить, что природа повторяет аналогичные решения. Эти организмы возникают спонтанно, даже если на них не воздействуют». жгутик связан с окружающей его жидкостью, а это означает, что жгутик имеет надежный механизм, позволяющий ему плавать в среде с низкой вязкостью, что было бы невозможно для водных видов.

«Впервые имитационные модели так хорошо сравниваются с экспериментальными данными. Мы благодарны исследователям, которые предоставили свои данные в свободный доступ, без чего мы не смогли бы продвинуться вперед в этом математическом исследовании».

Эти результаты могут быть использованы в будущем для лучшего понимания проблем фертильности, связанных с аномальной подвижностью жгутиков и другими цилиопатиями; Заболевания, вызванные неэффективностью ресничек в организме человека.

Это также может быть дополнительно изучено для применения в робототехнике, искусственных мышцах и движущихся материалах, поскольку команда обнаружила простой «математический рецепт» для создания моделей движения.

Доктор Гадилья также является членом SoftLab Бристольской лаборатории робототехники (BRL), где он использует математику формирования шаблонов для изобретения следующего поколения мягких роботов.

«В 1952 году Тьюринг открыл основу взаимодействия и распространения химических закономерностей», — сказал доктор Жаделья. «Мы показали, что «атом» движения в клеточном мире, жгутик, вместо этого использует шаблон Тьюринга для формирования моделей движения, которые вместо этого приводят в движение хвост, который продвигает сперму вперед.

«Хотя это шаг вперед к математической расшифровке спонтанной анимации в природе, наша модель реакции-диффузии слишком проста, чтобы полностью охватить всю сложность. В модельном пространстве могут быть другие модели, которые соответствуют тому же самому, или «даже лучше». , эксперименты, мы просто пока о них не знаем, поэтому необходимы дополнительные исследования».

Численная работа проводилась с использованием вычислительных мощностей и средств хранения данных в Центре перспективных компьютерных исследований Бристольского университета.