数学家发现斑马条纹和精子尾巴之间存在奇怪的联系

到处他们看起来数学家似乎在自然界中寻找模式.但是斑马条纹如何形成和精子如何游泳之间的奇怪联系几乎和它得到的一样奇怪。

从斑马和斑马等多种生物体中如何形成条纹和斑点的线索巨型河豚，研究人员分析了精子旋转的鞭毛产生的动画图案。

这项工作可以追溯到艾伦·图灵，英国数学家，除破解密码外，提出了一个想法对于自然界中如何出现波浪形或斑点状图案。

图灵描述了现在所谓的反应扩散系统，以表明生物模式化可能非常简单地由两个分子在空间中扩散的反应产生。

“1952年，图灵解开了化学模式的反应扩散基础，”说Hermes Bloomfield-Gadêlha是英国布里斯托尔大学的应用数学家和机器人工程师，他与研究生James Cass一起完成了这项研究。

“我们表明，细胞世界中运动的'原子'，鞭毛，使用图灵的模板来塑造驱动推动精子前进的尾部运动的运动模式。

在我们进一步讨论之前，值得注意的是，尽管图灵的实力很强，但反应扩散模型已经长期争论，实验生物学家质疑它们的真实性。与任何数学模型一样，它们将自然的复杂性简化为几个参数。

也就是说，数学模型可以成为概念化复杂行为的有用工具，例如精子尾巴鞭毛的旋转运动。

“通过在最小模型中分离鞭毛跳动的基本元素，我们发现反应 - 扩散动力学很好地解释了观察到的鞭毛跳动模式，”Cass和Bloomfield-Gadêlha。在他们的论文中解释.

“振荡动力学类似于在化学系统中观察到的振荡动力学。

而不是化学物质在空间中自由反应和扩散，卡斯和布卢姆菲尔德-加德哈描述是锚定在鞭毛结构中的分子马达的“拔河反应动力学”，以及它们产生的剪切变形，沿着细长弯曲的附属物扩散。

换句话说，鞭毛的跳动运动始于分子马达在其底部并产生振荡，以波浪的形式鞭打其软盘结构。这个过程可以用反应扩散动力学建模，正如你在上图中看到的，这些运动会产生类似带状的图案。

然而，认识到他们模型的局限性，研究人员更进一步，将他们的模拟与已发表的研究，精子和精子的实验数据进行了比较。莱茵衣藻，这是一种单细胞绿藻。

近期研究揭示了精子的阴谋是多么复杂，将Axoneme（为鞭毛和精子运动提供动力的分子机器）描述为“由数百种不同蛋白质组成的名副其实的分子庞然大物”。

然而，Cass和Bloomfield-Gadêlha发现他们简化的鞭毛力学模型充分捕捉了鞭毛运动，产生了模仿真核鞭毛的跳动模式。

“我们表明，这个数学'配方'后面有两个非常遥远的物种 - 公牛精子和衣藻，一种绿藻，被用作科学界的模式生物——这表明大自然复制了类似的解决方案，”说布卢姆菲尔德-加德利亚。

虽然这些模型听起来像是一些微不足道的乐趣，但模拟精子鞭毛的机制可能会对我们理解精子活力产生严重影响，这会影响男性生育能力.

该研究已发表在自然通讯.

宝宝起名