Главная » Материалы » Заметки » Полоски зебры с точки зрения науки
Дата: 24.06.2013 | Просмотров: 3424 | Комментариев: 0
Каким образом появились полосы на зебрах?

Первую попытку ответить на этот вопрос дал выдающийся ученый — англичанин Алан Тьюринг -тот самый Тьюринг, который считается родоначальником всей компьютерной науки (не случайно компьютерная «Нобелевская» называется премией Тьюринга), а также тот самый Тьюринг, 100 лет со дня рождения которого научный мир только что отметил в 2012 году.



Впрочем, справедливость требует уточнить, что сам он не занимался напрямую проблемой полосатости зебр. Тьюринга интересовали законы химических и биологических процессов, происходящих в неравновесных системах.

Простейший случай такой неравновесной системы представляет собой химическая реакция, происходящая в каком-то объеме, из которого продукты реакции могут диффундировать (уходить) в окружающее пространство. Такая система называется реактивно-диффузионной. Было известно, что при отсутствии диффузии, когда продукты реакции остаются в данном объеме, они постепенно распределяются в нем равномерно и однородно, и это распределение является стабильным.

Тьюринг сумел найти, каким будет распределение продуктов реакции в том же объеме, если они могут постепенно выходить наружу. Оказалось, что в этом, более общем случае продукты реакции распределяются в объеме иначе: в одних точках их становится больше, в других меньше, так что образуются чередующиеся сгущения и разрежения вещества, причем картина этих сгущений и разрежений зависит от скорости реакции и скорости диффузии. Поэтому в разных условиях она может быть различной.

Эти своеобразные чередования сгущений и разрежений получили название «узоров Тьюринга», а механизм их образования имеет специальное название «pattern formation» («образование узоров»). Самый простой случай такого «образования» имеет место в системе, где в реакции участвуют всего два вещества, причем одно из них является «активатором», то есть стимулирует образование второго вещества, тогда как второе играет роль «ингибитора», то есть, наоборот, подавляет активность первого.



Работа Тьюринга была опубликована в 1952 году. Первое экспериментальное подтверждение ее предсказаний было получено (на примере некой химической реакции) лишь в 1998 году. Но затем последовал ряд других подтверждений, и сегодня статья Тьюринга уже стала классической. На нее в непременном порядке ссылаются не только авторы многочисленных химических или физико-химических исследований, но также многие биологи, который занимаются изучением аналогичных процессов в живых существах.

Причем не только процессов, ведущих к появлению полос или пятен окраски. Выяснилось, что образование полос и пятен является частным случаем более общего процесса - роста тех или иных биологических систем, когда размножающиеся в одном месте клетки начинают распространяться (как бы диффундировать») оттуда в соседние участки. Все такие процессы приводят, как показали исследования, к появлению своего рода чередований, аналогичных «узорам Тьюринга».

Как сейчас известно, все биологические процессы происходят под управлением определенных генов, которые руководят производством соответствующих белков. Эти белки как раз и могут играть роль тех «активаторов» и «ингибиторов», которые, согласно теории Тьюринга, в ходе своего взаимодействия порождают биологические аналоги его «узоров». Например, белок гена А может активировать производство белка гена Б, но белок гена Б может подавлять работу гена А.

 В других случаях роль активатора и ингибитора биологического процесса могут играть специальные молекулы, способные включать и выключать работу какого-то гена. Такие молекулы часто называются «морфогенами», потому что они дают сигналы генам, которые управляют процессами «морфогенеза», то есть роста и образования тех или иных биологических форм.



Биологические системы дают не только примеры действия механизма Тьюринга - они позволяют также лучше понять это действие. Представим себе, для наглядности, ситуацию с двумя генами А и Б и их продуктами -белком-активатором А и белком-ингибитором Б. Поскольку белок А активирует работу гена Б, то белка Б становится больше. Но белок Б подавляет (ингибирует) работу гена А, поэтому по мере умножения белка Б становится все меньше белка А.

Уменьшение количества этого белка-активатора приводит к спаду активности гена Б, тогда становится меньше белка Б, это освобождает ген А для работы и белка А опять становится много. Так возникает цикл, состоящий в периодическом усилении работы то одного, то другого гена.

А эта периодичность может стать причиной появления чередующихся во времени или в пространстве последствий.

Замечательный пример всего сказанного дала опубликованная в октябре 2011 года в том же журнале Science работа китайских ученых. Они проверяли предсказания Тьюринга на колонии бактерий Esherishia coli, то есть кишечной палочки. Предварительно они встроили во все эти бактерии ген А, который реагирует на некую молекулу X.

Его реакция состоит в том, что с приходом этой молекулы X он увеличивает производство своего белка А, который подавляет работу гена Б (управляющего подвижностью бактерий). Стало быть, в этом эксперименте сигнальная молекула X играет роль активатора гена А, а белок А играет роль ингибитора гена Б. Сигнальные молекулы X может испускать каждая кишечная палочка.

Экспериментаторы создали колонию кишечных палочек на питательной среде и дали им возможность размножаться. Колония стала расти и распространяться по поверхности среды с какой-то определенной скоростью. Когда радиус колонии достиг какого-то значения, вокруг каждой бактерии стало так много соседок, что она стала получать от них очень много сигнальных молекул X.

Это привело к заметному повышению активности гена А. Внутри каждой бактерии появилось много белка А и поэтому стала уменьшаться активность гена Б. А поскольку ген Б управлял подвижностью бактерий, то ослабление его работы привело к спаду этой подвижности. Бактерии начали беспорядочно расползаться, от этого их плотность стала снижаться. Каждая бактерия стала получать все меньше сигнальных молекул X.

Когда бактерии расползлись так, что радиус колонии стал несколько больше, их плотность упала так, что ген А перестал работать. Белок А исчез. Тогда работа гена Б восстановилась, и бактерии опять начали дружно двигаться, так что через какое-то время их плотность опять возросла до критической и ген А опять включился. Легко понять, что в результате такого циклического процесса должен был образоваться «узор Тьюринга» в виде системы четко видимых концентрических колец высокой и низкой плотности. Именно это и наблюдали китайские исследователи.



Интересно, что такой периодически прерываемый рост колонии бактерий отдаленно напоминает собой другой, много более важный случай роста — процесс размножения и распространения клеток эмбриона в ходе развития зародыша. Эти клетки затем объединяются в группы, которые расходятся в разных направлениях, давая начало различным тканям.

Такой процесс называется «эмбриональным морфогенезом». Недавно было показано, что в этом случае тоже имеет место механизм Тьюринга. Об этом сообщила статья группы ученых из Королевского колледжа в Лондоне, опубликованная в феврале 2012 года в журнале Nature Genetics. Эти ученые изучали «полосатость» во рту у новорожденных мышат.

Дело в том, что во рту такого мышонка, на небе, четко видны дугообразные утолщения, своего рода мостики, расположенные на равных расстояниях друг от друга, и вот теперь, в ходе детального изучения роста и развития мышиных эмбрионов, английские ученые выявили специфические молекулы-морфогены, вызывающие образование этих утолщений. Оказалось, что таких молекул две.

Исследователи показали, что эти два морфогена контролируют производство друг друга (как в рассмотренном выше примере белков А и Б) и это создает циклический процесс. Искусственно изменяя активность этих двух морфогенов, исследователи сумели изменить характер узора утолщений на небе, причем в полном соответствии с предсказаниями теории Тьюринга.



Эта «полосатость» так близка уже к полосатости зебр и тигров, что есть все основания думать, что в недалеком будущем кто-нибудь покажет наличие механизма Тьюринга также и в этих, более сложных для изучения случаях. Не случайно один из руководителей английского исследования, доктор Джереми Грин, сказал, подводя итоги этой работы:

«Одним из фундаментальных мотивов в биологии являются регулярно расположенные в пространстве структуры, от позвонков и волосяных фолликул до полос на коже тигра или аквариумной рыбки, и наша работа дала полное экспериментальное подтверждение того, что образование таких полос обусловлено активаторно-ингибиторным механизмом, который был предложен Аланом Тьюрингом в 1952 году».

Вот и все, что на данный момент известно науке о полосах зебры.

ТЕГИ Зебра

КОММЕНТАРИИ
Всего комментариев: 0
avatar