Как рыбка данио получила свои полосы
Образцы животных — полосы, пятна и розетки, видимые в дикой природе — являются источником бесконечного очарования, и теперь исследователи из Университета Бат разработали надежную математическую модель, чтобы объяснить, как один важный вид, рыбка данио, развивает свои полосы.
В животном мире расположение пигментных клеток кожи начинается во время эмбриональной стадии развития, что делает формирование паттерна предметом особого интереса не только для непрофессиональной аудитории, но и для ученых — в частности, биологов-разработчиков и математиков.
Данио бесценны для изучения болезней человека. Может показаться, что эти скромные пресноводные гольяны имеют мало общего с млекопитающими, но на самом деле они показывают много генетических сходств с нашими видами и могут похвастаться похожим списком физических характеристик (включая большинство основных органов).
Рыба-данио также дает фундаментальное представление о сложных и часто удивительных процессах, лежащих в основе биологии. Изучение их поразительного внешнего вида может со временем иметь отношение к медицине, поскольку формирование паттерна является важной общей чертой развития органов. следовательно, лучшее понимание формирования пигментного рисунка может дать нам представление о болезнях, вызванных нарушением расположения клеток в органах.
Новая математическая модель, разработанная в Бате, открывает путь для дальнейших исследований систем формирования пигментов и их сходства для разных видов. Пигментация у рыбок данио является примером возникающего феномена, при котором особи (в данном случае клетки), все действующие в соответствии со своими местными правилами, могут самоорганизоваться, чтобы сформировать упорядоченный паттерн в масштабе, гораздо большем, чем можно было ожидать , Другие примеры возникающих явлений в биологии включают стадо скворцов и синхронное плавание, наблюдаемое в стаях рыб.
Доктор Кит Йейтс, математик из Бата, который руководил исследованием, сказал: «Интересно думать, что эти различные пигментные клетки, все действующие без скоординированного централизованного контроля, могут надежно производить полосатые узоры, которые мы видим у рыбок данио. Наше моделирование подчеркивает местные правила что эти клетки используют для взаимодействия друг с другом, чтобы надежно генерировать эти образцы «.
«Почему для нас важно найти правильную математическую модель для объяснения полос на рыбках данио?» спрашивает профессор Роберт Кельш, соавтор исследования. «Отчасти потому, что узоры пигмента интересны и красивы сами по себе. Но также потому, что эти полосы являются примером ключевого процесса развития. Если мы сможем понять, что происходит в развитии узоров эмбрионов рыб, мы сможем получить более глубокое понимание сложной хореографии клеток внутри эмбрионов в целом «.
Полосы взрослой рыбы-данио ‘дикого типа’ образованы из содержащих пигмент клеток, называемых хроматофорами. У рыб есть три разных типа хроматофоров, и по мере развития животного эти пигментные клетки перемещаются по поверхности животного, взаимодействуя друг с другом и самоорганизуясь в полосатый рисунок, по которому названа рыба. Иногда появляются мутации, изменяющие, как клетки взаимодействуют друг с другом во время развития паттерна, что приводит к пятнистым, лабиринтным или лабиринтным лабиринтным меткам.
Ученые знают много о биологических взаимодействиях, необходимых для самоорганизации пигментных клеток рыбок данио, но существует некоторая неопределенность в отношении того, дают ли эти взаимодействия всестороннее объяснение того, как образуются эти паттерны. Чтобы проверить биологические теории, команда Бата разработала математическую модель, которая включала три типа клеток и все их известные взаимодействия. Модель оказалась успешной, прогнозируя характер развития как дикого типа, так и мутантной рыбы.
Математики пытались объяснить, как полосы рыбок данио формируются в течение многих лет, однако многие предыдущие попытки моделирования не смогли объяснить широкий диапазон наблюдаемых паттернов рыбных мутантов. Дженнифер Оуэн, ученый, ответственный за построение и запуск модели, сказала: «Одним из преимуществ нашей модели является то, что из-за ее сложности она может помочь прогнозировать дефекты развития некоторых менее понятых мутантов. Например, наша модель может помочь предсказать межклеточные взаимодействия, которые являются дефектными у мутантов, таких как леопард, который отображает пятна «.
Источник истории:
Материалы предоставлены Университетом Бата . Примечание: содержимое может быть отредактировано по стилю и длине.
Ссылка на журнал :
- Дженнифер П. Оуэн, Роберт Н Келш, Кристиан А Йейтс. Подход количественного моделирования к формированию структуры пигмента данио . eLife , 2020; 9 DOI: 10,7554 / eLife.52998
