Es wird angenommen, dass Muster chemischer Wechselwirkungen in der Natur Muster wie Streifen und Flecken erzeugen. Eine neue Studie zeigt, dass die mathematische Grundlage dieser Muster auch die Bewegung des Spermienschwanzes bestimmt.
Die heute veröffentlichten Ergebnisse in Naturkommunikationzeigen, dass die Geißelbewegung von Spermienschwänzen und Flimmerhärchen derselben Musterbildungsvorlage folgt, die vom Mathematiker Alan Turing entdeckt wurde.
Flagellenwellen erzeugen Streifenmuster in der Raumzeit und erzeugen Wellen, die sich entlang des Schwanzes bewegen, um die Spermien und Mikroben voranzutreiben.
Alan Turing ist vor allem dafür bekannt, dass er während des Zweiten Weltkriegs dabei half, den Enigma-Code zu knacken. Er entwickelte jedoch auch eine Theorie der Musterbildung, die voraussagte, dass chemische Muster spontan auftreten können, wenn nur zwei Bestandteile vorhanden sind: Chemikalien, die sich ausbreiten (diffundieren) und miteinander reagieren. Turing schlug zunächst die sogenannte Reaktions-Diffusions-Theorie zur Musterbildung vor.
Turing hat dazu beigetragen, den Weg für eine völlig neue Art von Forschung zu ebnen, bei der die Reaktions-Diffusions-Mathematik zum Verständnis natürlicher Muster genutzt wird. Heute werden diese von Turing erstmals erdachten chemischen Muster Turing-Muster genannt. Auch wenn diese Muster noch nicht durch experimentelle Beweise bewiesen sind, geht man davon aus, dass sie viele Muster in der Natur bestimmen, wie zum Beispiel Leopardenflecken, den Samenwirbel im Kopf einer Sonnenblume und Sandmuster am Strand. Turings Theorie kann auf verschiedene Bereiche angewendet werden, von der Biologie und Robotik bis hin zur Astrophysik.
Video-Erklärer. Bildnachweis: Hermes Gadêlha
Der Mathematiker Dr. Hermes Gadêlha, Leiter des University of Bristol Polymaths Lab, und sein Ph.D. Der Student James Cass führte diese Forschung an der School of Engineering Mathematics and Technology der University of Bristol durch.
Gadêlha erklärte: „Überall in der Natur kann man spontane Bewegungen von Geißeln und Flimmerhärchen beobachten, aber es ist wenig darüber bekannt, wie sie koordiniert werden. Sie sind entscheidend für Gesundheit und Krankheit, Fortpflanzung, Evolution und das Überleben fast aller Wassermikroorganismen auf der Erde.“
Inspiriert wurde das Team durch aktuelle Beobachtungen in Flüssigkeiten mit niedriger Viskosität, dass die Umgebung eine untergeordnete Rolle auf das Flagellum spielt. Sie verwendeten mathematische Modelle, Simulationen und Datenanpassungen, um zu zeigen, dass Flagellenwellen spontan und ohne den Einfluss ihrer flüssigen Umgebung entstehen können.
Mathematisch entspricht dies dem Reaktions-Diffusionssystem von Turing, das erstmals für chemische Muster vorgeschlagen wurde.
Beim Schwimmen der Spermien treiben chemische Reaktionen molekularer Motoren das Flagellum an, und die Biegebewegung breitet sich in Wellen entlang des Schwanzes aus. Der Grad der Allgemeinheit zwischen visuellen Mustern und Bewegungsmustern ist auffallend und unerwartet und zeigt, dass nur zwei einfache Zutaten erforderlich sind, um hochkomplexe Bewegungen zu erzielen.
Dr. Gadêlha fügte hinzu: „Wir zeigen, dass dieses mathematische ‚Rezept‘ von zwei sehr weit entfernten Arten befolgt wird – Bullensperma und Chlamydomonas (eine Grünalge, die in der Wissenschaft als Modellorganismus verwendet wird), was darauf hindeutet, dass die Natur ähnliche Lösungen nachahmt. Wanderwellen.“ tauchen spontan auf, selbst wenn das Flagellum nicht von der umgebenden Flüssigkeit beeinflusst wird. Dies bedeutet, dass das Flagellum über einen narrensicheren Mechanismus verfügt, der das Schwimmen in Umgebungen mit niedriger Viskosität ermöglicht, was für Wasserlebewesen sonst unmöglich wäre.
„Es ist das erste Mal, dass Modellsimulationen gut mit experimentellen Daten vergleichbar sind. Wir sind den Forschern dankbar, die ihre Daten frei zur Verfügung gestellt haben, ohne die wir diese mathematische Studie nicht hätten durchführen können.“
Diese Erkenntnisse könnten in Zukunft genutzt werden, um Fruchtbarkeitsprobleme im Zusammenhang mit abnormalen Flagellenbewegungen und anderen Ziliopathien besser zu verstehen. Krankheiten, die durch unwirksame Flimmerhärchen im menschlichen Körper verursacht werden.
Dies könnte auch für Roboteranwendungen, künstliche Muskeln und animierte Materialien weiter erforscht werden, da das Team ein einfaches „mathematisches Rezept“ zur Erstellung von Bewegungsmustern entdeckte.
Dr. Gadêlha ist außerdem Mitglied des SoftLab am Bristol Robotics Laboratory (BRL), wo er Musterbildungsmathematik nutzt, um die nächste Generation von Soft-Robotern zu entwickeln.
„1952 erschloss Turing die Reaktions-Diffusions-Basis chemischer Muster“, sagte Dr. Gadêlha. „Wir zeigen, dass das ‚Atom‘ der Bewegung in der Zellwelt, das Flagellum, Turings Vorlage verwendet, um stattdessen Bewegungsmuster zu formen, die die Schwanzbewegung antreiben, die die Spermien vorwärts drückt.“
„Obwohl dies der mathematischen Dekodierung spontaner Animationen in der Natur einen Schritt näher kommt, ist unser Reaktions-Diffusions-Modell viel zu einfach, um die gesamte Komplexität vollständig zu erfassen. Im Bereich der Modelle kann es andere Modelle mit gleichen oder sogar besseren Übereinstimmungen geben Experimente, dass wir einfach noch keine Kenntnis von ihrer Existenz haben und daher noch erheblich mehr Forschung erforderlich ist.
Die numerischen Arbeiten wurden mithilfe der Rechen- und Datenspeichereinrichtungen des Advanced Computing Research Centre der Universität Bristol durchgeführt.
Mehr Informationen:
Die Reaktions-Diffusions-Basis animierter Muster in eukaryotischen Flagellen, Naturkommunikation (2023). www.nature.com/articles/s41467-023-40338-2