Пятна зебры и хвосты сперматозоидов: как модель Тьюринга описывает природу
У закономерностей, связанных с подвижностью сперматозоидов и, например, пятнистым узором на теле леопарда или полосками на зебре оказалось много общего. По сути, все это работает по схожему принципу, который еще 70 лет назад сформулировал британский математик и криптограф Алан Тьюринг.
Алан Тьюринг
Фото: Общественное достояние
В основном Тьюринга знают как прародителя современных вычислительных систем и одного из основоположников теории искусственного интеллекта. Во время Второй мировой войны он разработал систему взлома немецкой шифровальной машины Enigma, которая передавала засекреченные сообщения. В итоге это сыграло большую роль в успехах союзников на Западном фронте. После войны по проекту Тьюринга был создан первый в мире компьютер.
Помимо криптографии и программирования, ученый интересовался математической биологией. Он изучал химические основы морфогенеза и предсказал протекающие в колебательном режиме химические реакции. В 1952 году Тьюринг сформулировал закономерность формирования природных узоров и паттернов, украшающих животных. Его математическая модель показывает, как два взаимодействующих соединения могут образовывать полосы, пятна и точки. Сегодня она активно применяется в биологии, робототехнике, астрофизике и других науках.
Вооружившись этой теорией, исследователи из University of Bristol решили выяснить, есть ли закономерность в движении сперматозоидов. Для этого они провели несколько экспериментов, смоделировав естественную среду обитания этих половых клеток на компьютере и создав виртуальную модель хвоста сперматозоида, придав ему такую же манеру движения, как и в реальности.
Как они двигаются?
Механизм движения хвоста-жгутика сперматозоида очень сложен. Для эффективного изменения формы он использует молекулярные «моторы» (белки), которые приводят в действие крошечные волокна, расположенные в пучке — аксонеме.
Строение сперматозоида Изображение: © Soleil Nordic / Shutterstock / FOTODOM
В итоге в движениях хвостов сперматозоидов ученые тоже обнаружили математическую закономерность Тьюринга: жгутики создавали во времени и пространстве узоры в виде полос. При этом оказалось, что свойства жидкости, в которой находятся половые клетки, не влияют на их перемещение и форму. Движения возникали спонтанно, без влияния окружающей среды.
Результаты исследования, опубликованные в журнале Nature Communications, позволяют лучше понять, как функционирует жгутик. Авторы научной работы рассчитывают, что их изыскания в будущем помогут врачам-репродуктологам в устранении проблем, связанных с мужским бесплодием.
