g u t x .com.tr İpek yolu - Çin'i anlamaya götürürüm

dahi? Matematikçi Turing'in teorisi biyolojik evrimi de açıklıyor!

Matematikçi Alan Turingin teorisi, tüm omurgalılar tarafından paylaşılan ve her tür deri yapısı için büyüme modellerini belirleyen ilkel gelişimsel araç kutusunu tanımlar. 1952'de, gelişim biyologları Hox genleri ve transkripsiyon faktörleri hakkında konuşmadan ve hatta DNA'nın yapısını anlamadan çok önce Alan Turing'in cesur bir fikri vardı. Ünlü matematikçi Enigma kodunu kırarak II.Dünya Savaşı'nın sonunu hızlandırdı. Teorisi, iki basit varsayımsal kimyasal madde veya morfolojik faktörün etkileşimi altında şeritlerin, noktaların ve ölçeklerin nasıl oluştuğunu ana hatlarıyla belirtir. Biyologlar, bu matematik teorisinin sayısız biyolojik modeli gerçekten açıklayabildiğini fark etmeden önce onlarca yıl geçti.

Boko Garden-Science Popularization: Memelilerin tüyleri, kuşların tüyleri ve hatta insan ağzındaki tümsekler Turing benzeri mekanizmalarla evrimleşmiştir. Artık köpekbalığının derisini kaplayan diş benzeri çıkıntılar olan küçük dişler de Turing mekanizmasının saflarına dahil edilebilir. Florida Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, kısa süre önce köpekbalığı dişlerinin, tüy desenlerini oluşturmaktan sorumlu aynı genler tarafından kontrol edilene benzer bir döndürme mekanizmasıyla oluştuğunu keşfettiler. Araştırmaya öncülük eden araştırmacı Gareth Fraser, farklı omurgalıların gelişmekte olan embriyolarının da aynı şekilde dokularının dış katmanlarında karakteristik desenler belirlediklerine inanıyor ve bu desen oluşum mekanizmasının ilk omurgalıların evrimini takip etmesi muhtemel. O doğdu ve o zamandan beri küçük değişiklikler oldu.

Bu, "deri benzeri" diş modelini gösteren, boyalı kedi köpekbalığı yavrusunun fotoğrafı. Sırt yüzgecinin yanındaki iki paralel çizgi, küçük dişlerin özünün kökenini gösterir. Daha sonra küçük dişler esasen açılır ve Turing benzeri mekanizmaya uyması için vücudun geri kalanında noktalar halinde görünür. Resim: Alexandre Thiery, Sheffield Üniversitesi

Harvard Üniversitesi (Harvard) gelişim biyoloğu Alexander Schier (Alexander Schier) şunları söyledi: Bu araştırmanın güzelliği köpekbalığı dişlerinden kuş tüylerine kadar her şeyi oluşturan mekanizmanın çok güçlü bir şekilde korunabilmesidir. Araştırma ayrıca gelişimsel biyolojide yükselen bir temayı desteklemektedir - doğa bir şeyler yaratma ve sonra bu tema üzerinde mutasyona uğrama eğilimindedir. Turing'in modeli reaksiyon difüzyon mekanizması olarak adlandırılır.Sadece iki etkileşen maddeye ihtiyaç duyar: sudaki mürekkep gibi dokulardan difüze etmek için bir aktivatör ve bir inhibitör. Aktivatör, nokta oluşumu gibi belirli işlemleri başlatır ve kendi üretimini destekler. İnhibitörler bu iki etkiyi durdurabilir. İnhibitörler dokularda aktivatörlerden daha hızlı yayılır. Aktivatörün ve inhibitörün salımının tam zamanı ve konumuna göre, aktivatör, noktalar, şeritler veya diğer desenler oluşturmak için düzenli aralıklarla düzenlenecektir.

Avustralya'daki Curtin Üniversitesi'nde gelişim biyoloğu Catherine Boisvert, aktivasyon engelleme sisteminin güçlü bir gelişimsel motif olduğunu açıkladı. Tüyler veya küçük dişler gibi eksiksiz bir yapı inşa etmek istiyorsanız, düzenleme aşırı kalabalık olmamalıdır; aralık yoksa asla farklı bir varlık elde edemezsiniz. Turing modeli gelişim biyologlarını heyecanlandırıyor, basit olmasına rağmen birçok farklı modeli açıklayabilir. Ancak pratikte, doğal model örneklerinin Turing benzeri mekanizmalara göre açıkça işlediği nadiren kanıtlanmıştır. İki örnek verin: fare kıl köklerinin konumu ve tavuk tüylerinin konumu. Gelişmekte olan bir civcivde, ilkel tüyler sırayla büyür ve civcivin sırtında düz bir çizgi oluşturur. En uzun çizgi, embriyo kaplanana kadar embriyonun kenarları boyunca istiflenen diğer paralellerin üretimini uyarır.

Genç bir köpekbalığının dişlerinin yakından görünümü. Soldaki resim, dişlerin vücudu bir pul gibi koruduğunu gösteriyor. Yavru köpekbalığının kafasının dişlerinin taranması, Turing'in aranjmanını gösteriyor. Resim: Rory Cooper (solda); Rory Cooper tarafından oluşturulmuş, Kyle Martin ve Amin Garbout tarafından The Imaging and Analysis Center, Natural History Museum, London'da taranmış.

Araştırmacılar, aktivasyon ve inhibisyonda hareket eden molekülleri biliyor ve bu sürecin Turing'in modeline benzer olduğunu doğruluyor. Fraser laboratuvarında yüksek lisans öğrencisi olan Rory Cooper, köpekbalığı dişlerinin de gelişmekte olduğuna inanıyor. Ancak köpekbalıkları ve yakın akrabaları olan ışınlar, omurgalılardan 450 milyon yıl önce ayrıldı. Hayat ağacında çok ilginç bir yerde yaşarlar. Köpekbalıkları, erken dönem omurgalıların gelişimi için bir perspektif sağlar. Yüz milyonlarca yıl önce, memelilerin tüyleri ve kuşların tüyleri çıktığı zaman, köpekbalığı "pulları" derilerini zırh gibi kapladı. (Çeşitli deri uzantıları ile var olan en eski omurgalılardır) Köpekbalığı dişlerinin desenleri, şekilleri ve işlevleri çok çeşitlidir: Yoğun şekilde üst üste binen dişler, bazı köpekbalıkları için ek koruma sağlar ve seyrek ve pürüzsüz kısımlar azalır. Köpekbalığının sürükleme kuvveti.

Bazı köpek balığı türlerinde dişler, iletişime yardımcı olan parlak bakteriler bile içerir. Bununla birlikte, bazı ince farklılıklara rağmen, dişler, saçlar ve tüyler arasındaki gelişimsel modellerdeki benzerlik inkar edilemez. Fraser'ın meslektaşları, köpekbalığının diş benzeri modelinin teorik olarak Turing mekanizması tarafından oluşturulabileceğini kanıtlamak için aktivatörler ve inhibitörler arasındaki etkileşimin matematiksel bir modelini oluşturdu. Araştırmacılar, model köpekbalığı derisinin gelişimiyle eşleşen bir model üretene kadar iki morfojenin difüzyon, üretim ve bozulma oranlarını değiştirdiler. Bu model bize teorik olarak Turing benzeri bir mekanizmanın köpekbalığı dişi desenlerinin oluşumunu açıklayabileceğini söylüyor. Diş eti gelişiminin moleküler temelinin tüylerle aynı olup olmadığını bilmiyoruz. Bununla birlikte, gelişimdeki benzerlikler dikkate alındığında, civcivin genleri iyi bir başlangıç noktasıdır. Cooper in situ hibridizasyon tekniğini kullandığında, civciv ve köpek balığı modellerinin oluşumu sırasında aynı genlerin parlayacağını buldu.

Bir köpekbalığı embriyosundaki (solda) dişlerin düzeni, araştırmacıların matematiksel Turing modelinin ürettiği desene çok benzer. Resim: doi: 10.1126 / sciadv.aau5484

Bu genler sadece diş çimlenmesi sırasında ifade edilmezler, aslında aynı doku tabakasında ifade edilirler ki bu da güçlü bir koruyucu etkidir. Benzer süreçlerde benzer gen ifadesini göstermek iyi bir ilk adımdır, ancak gelişimsel biyolojide kanıtlanmış altın standart basit bir deneydir: bir gen ifadesini azaltır veya ortadan kaldırırsanız, model kaybolur, o zaman bu Kalıp oluşumunda genler önemli bir rol oynamalıdır. Cooper, bunu yapmak için tavuk tüyü aktivatörlerini engelleyen bir kimyasal ekledi. Daha sonra köpekbalığının büyümesini gözlemlemek için orijinal dişler köpekbalığı embriyosuna birlikte yerleştirildi. Sonuçlar açıktır: Bunlar kuşlarda aktive edilmiş genlerin ifadesini engellemek için tasarlanmıştır. Köpek balıklarında da aynı etkiyi yaratmak için yüz milyonlarca yıllık evrimi kapsayabilirler. Cooper, aktivatör genlerin ifadesinin düştüğünü ve dişsiz düz bir "ölü bölge" oluşturduğunu keşfetti. Bu manipülasyon sonuçları, bu mekanizmanın oldukça muhafazakar olduğunu güçlü bir şekilde kanıtlamaktadır.

Araştırmacılar, Turing benzeri mekanizmaların diğer köpek balıklarında ve benzerlerinde çok çeşitli diş benzeri yapılar üretip üretemeyeceğini test etmek için, modeldeki aktivatörlerin ve inhibitörlerin üretim, bozulma ve difüzyon oranlarını ayarladılar. Nispeten basit değişikliklerin bu soyağacında görülen çeşitliliğe uyan desenler üretebileceği bulundu. Örneğin, ışınların dişleri seyrek olma eğilimindedir, inhibitörün difüzyon oranını artırarak veya inhibitörün bozunma oranını azaltarak, araştırmacılar daha seyrek bir model elde edebilirler. Başlangıç modu ayarlandıktan sonra, diğer Turing olmayan mekanizmalar bu sıraların tamamen oluşturulmuş dişlere, tüylere veya diğer epitel uzantılarına dönüştürülmesini tamamlar. Bouavert şöyle açıkladı: Bu yüksek oranda korunan birincil düzenleyici mekanizmalar, uzantı gelişiminin erken aşamalarında çalışır, ancak aşağı akışta, türe özgü mekanizmalar bu yapıyı mükemmelleştirecektir.

Bununla birlikte, moleküler biyolojinin yeterince anlaşılamadığı bir çağda, biyolojik eğitimi olmayan bir matematikçi için bu kadar çok farklı biyolojik modelin arkasındaki mekanizmaları teorize etmek dikkate değer bir şeydir. Turing mekanizması teorik olarak desenler oluşturmanın tek yolu değil, ama doğa onu tercih ediyor gibi görünüyor. Fraser, çok sayıda organizma grubunun bu mekanizmaya güvenmesinin, belirli kısıtlamaların iş başında olabileceğini gösterdiğine inanıyor: bir şeyi taklit etmenin pek çok yolu olmayabilir. Turing makinesi kadar basit ve güçlü bir sistem göründüğünde, doğal olarak eğilimi takip edecek ve geri döndürülemez. Genel olarak, biyolojik çeşitlilik, geçerli gibi görünen ve evrim sırasında tekrar tekrar kullanılan oldukça sınırlı bir teori dizisine dayanır. Doğa, coşkulu yaratıcılığıyla düşündüğümüzden daha muhafazakar olabilir.