Kosár

A kosár jelenleg üres

Bejelentkezés &
Regisztráció

Jelenleg nincs belépve.

Válassza ki az oldal nyelvét

TERMÉKEINK

iPon FÓRUM

iPon Cikkek

Foltok, csíkok és ujjak - Turing-mechanizmusok a természetben

  • Dátum | 2013.04.08 09:01
  • Szerző | Jools
  • Csoport | EGYÉB

1952-ben jelent meg Alan Turing korszakalkotó jelentőségű tanulmánya a természetben található, szabályosan ismétlődő mintázatok matematikájáról. A tigris vagy a zebradánió csíkjainak, a leopárd foltjainak vagy éppen az aligátor fogazatának elrendezése most, hatvan évvel később is számos titkot rejt a témát kutató biológusok előtt. A mintázatok kialakulásának genetikai szinten történő teljes megértése olyan más jelentős kérdésekre is választ adhat, mint például hogy hogyan irányítják a gének egy végtag kifejlődését.

Turing ráérzett, hogy a látszólag véletlenszerűen elrendezett vonalak és foltok együttesen jól megfogalmazható matematikai törvényszerűségeknek engedelmeskednek, amelyekben egyetlen paraméter megváltoztatása egészen eltérő jellegű mintát eredményez. Tanulmányában két kémiai anyag együttes működésével magyarázza a természetes mintázatok kialakulását. Ezek az ágensek a kutató elképzelése szerint úgy terjednek szét a szervezetben, mint a dobozba zárt gázatomok, azonban ez utóbbiakkal ellentétben az általa morfogéneknek nevezett, mintázatot meghatározó anyagok eloszlása nem egyenletes. Egyikük, az aktivátor, egy olyan egyedi jellegzetesség kialakulásáért felel, mint a tigris egy csíkja, a másik pedig egy ezt a hatást gátló, inhibitor anyag, amely helyenként megakadályozza, hogy az aktivátor kifejtse hatását. Ezek az eltérő diffúziós konstanssal rendelkező anyagok egymás működését szabályozva eredményezik a változatos minták kialakulását.



James Murray, az Oxford matematikai biológiával foglalkozó nyugalmazott professzorának magyarázata szerint Turing alapötletét úgy a legegyszerűbb megérteni, ha egy száraz fűvel borított mezőt képzelünk el, amelyen helyenként szöcskék tartózkodnak. Ha mező füvét véletlenszerűen kiválasztott helyeken meggyújtjuk, és az semmiféle nedvességet nem kapott előzőleg, az egész terület leég. Viszont ha a szituáció a Turing-mechanizmusban hasonlóan zajlik le, akkor a menekülő szöcskék életük mentése közben megizzadnak, és benedvesítik a füvet, amely így foltokban megmenekül a lángoktól. A kialakuló mintázat jellege több faktortól is függ: például a szöcskék számának területhez képesti nagyságától, illetve attól is, hogy mekkora régiókat képesek megóvni a tűz erejével szemben.

Az elképzelés kétségkívül érdekesnek tűnt, de abszolút elméleti volt. Turing két évvel később elhunyt, írása pedig a következő évtizedekre a feledés homályába veszett. Bár a hetvenes években számos elméleti munka, illetve számítógépes modell foglalkozott a kérdéssel, és ez utóbbiak közül több sikeresen kreált a természetben látható foltos vagy csíkos mintázatokat a Turing-mechanizmus alkalmazásával, a molekuláris biológia kutatóinak ebben az időben még reményük sem volt arra, hogy az aktivátorként és inhibitorként viselkedő molekulákat azonosítsák.

Az utóbbi évek kutatásai aztán több egyéb területen is rábukkantak a Turing-mechanizmushoz hasonló működés nyomaira. A szakértők szerint valami ilyesmi állhat az egerek szőr-, illetve a madarak tolltüszőinek elrendeződése, és az egerek szájpadlásán található dudorok, illetve ujjaik kialakulása mögött is.



A biológusok egy része kételkedik abban, hogy a Turing által leírt reakció-diffúzió mechanizmus kielégítő magyarázattal szolgál mindezen mintázatok kialakulására, főleg hogy más teóriák is akadnak. Ezek egyikét a Londoni Egyetem biológusa, Lewis Wolpert fogalmazta meg, akinek modelljében nem a morfogének, hanem a sejtek „vándorolnak”, vagyis az határozza meg térbeli helyüket, hogy melyik morfogénből mennyi van az adott helyen.

A Turing-mechanizmus kritikusainak legfőbb érve az szokott lenni, hogy sokáig nem sikerült olyan molekulákat azonosítani, amelyek az elméletben leírtnak megfelelően aktivátorként vagy inhibitorként viselkednének. Ez volt legalábbis a helyzet egészen tavalyig, amikor is Jeremy Green, és londoni kollégái ráakadtak két olyan ágensre, amelyek a modellben megjósolt módon fejtik ki hatásukat az egérembriók szájpadlásán kialakuló dudorok kifejlődése során. A fibroblaszt növekedési faktor (FGF) az aktivátor, az SHH nevű fehérje pedig az inhibitor szerepét tölti be. Amikor a kutatók a kísérletek során növelték vagy csökkentették ezen anyagok mennyiségét, a dudorok elrendeződése pontosan úgy változott, ahogy Turing egyenletei előre jelezték.

Green és társai még tovább mentek: eltávolították a dudorok egyikét, és ezzel szabálytalanságot okoztak a kialakuló mintázatban. Ha a résbe egyszerűen visszanőtt volna egy másik dudor, abból arra lehetne következtetni, hogy nem Turing elmélete alapján működik a folyamat. Azonban nem ez történt: az üres területet rövidesen elágazó mintázatot kialakító extra dudorok töltötték be, ami pedig a Turing-mechanizmus egyértelmű védjegye.



Hozzászólások

Nem vagy bejelentkezve, a hozzászóláshoz regisztrálj vagy lépj be!

Eddigi hozzászólások:

  • 2.
    2014. 01. 28. 18:14
    Szia! Csak műkedvelő vagyok.
    Milyen problémák adódnak a turbulencia leírásakor?
  • 1.
    2013. 04. 08. 21:36
    Nem vagyok biológus, a biológiában használt egyenletekben sem vagyok otthon egyáltalán. Viszont a ragadozó-zsákmány modellről hallottam, hogyha ezt egy áramlásba helyezzük virtuálisan, ami nem lamináris, hanem struktúrája a Kármán-féle örvénysorhoz hasonlít, akkor az örvényekben csücsülő populációk meg tudnak maradni, azokat nem eszik meg a ragadozók. Mivel ezek egymással sem tudnak kommunikálni, ezért a mutáció következtében elszigeteltek maradnak egymástól is. Ez szintén magyarázza a biológiai diverzitást. Aki szakmabeli és sejti, hogy hogy működik a mechanizmus, nézzen utána, mert érdekes.

    Kármán-féle örvénysor

    A természet jellemzően nem dolgozik egyedi egyenletekből minden tudományterülethez külön-külön, így lehet, hogy a turbulencia problémájához hasonló egyenletre jutnak a biológusok, akik ezzel foglalkoznak. Mindenesetre biztosan segíteni fog bármilyen fejlemény a klasszikus fizika utolsó problémájának (a turbulenciának, megfejtője Nobel-díjra számíthat...) a megoldásában, ha ezt sikerül megoldani.