Perché i Zebrafish hanno le strisce? Un modello matematico spiega il modello

Le strisce sono comuni nelle nostre vite. È un modello piuttosto semplice e facile da dare per scontato.

Come matematico applicato che studia come i modelli si formano in natura, però, sono impressionato dai motivi a strisce che il pesce zebra indossa sul suo corpo e sulle sue pinne.

Dai uno sguardo più da vicino alle strisce nere e dorate di zebrafish e vedrai celle di pigmento di diversi colori, decine di migliaia di esse. Mi piace immaginare queste cellule come persone che camminano in una stanza affollata: proprio come noi, le cellule si muovono e interagiscono con i loro vicini. Le strisce appaiono perché le cellule si istruiscono molto attentamente e si segnalano reciprocamente su come comportarsi. Loro persino "agitano le mani" in un certo senso raggiungendo verso le cellule distanti.

Da una prospettiva matematica, le strisce di zebrafish cadono nel campo dell'auto-organizzazione, un fenomeno in cui gli individui interagiscono per produrre un modello molto più grande di qualsiasi individuo, senza una direzione esterna. Gli stormi di uccelli e il pesce della scuola sono anche esempi di auto-organizzazione in natura. Nessuno è su un megafono che chiama le direzioni in modo che gli stormi degli uccelli o le cellule dei pigmenti producano strisce di pesce, ma in modo notevole, entrambi si organizzano per creare modelli.

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Fino a poco tempo fa, la comunità di ricercatori pensava che solo due tipi di cellule fossero coinvolte nelle strisce di pesce zebra: strisce nere e dorate, quindi cellule nere e oro. Tuttavia, gli esperimenti hanno dimostrato che un terzo tipo di cellula pigmentaria - blu e argento iridoforo - è fondamentale per la formazione del pattern. Rimuovilo dalla pelle e il pesce zebra ha delle macchie!

Quindi, in che modo migliaia di cellule di colore diverso su un pesce zebra in crescita lavorano insieme per formare coerentemente delle strisce? Per aiutare a rispondere a questa domanda, ho sviluppato un modello matematico in collaborazione con il professore di matematica applicata Bjorn Sandstede. Nel nostro modello, le celle dei pigmenti sono punti colorati seguendo le regole e le equazioni prescritte per come si muovono, interagiscono e cambiano colore.Le celle con colori diversi si comportano in modi diversi. Ci sono molte domande su zebrafish, quindi abbiamo deciso di concentrarci sui nuovi arrivati ​​sulla scena: quelle fastidiose celle blu e argento.

La matematica offre una prospettiva diversa dai tipici esperimenti biologici sul pesce. I biologi possono osservare come si comportano le cellule, ma è più difficile dedurre i segnali dietro il loro comportamento. Usando modelli matematici, possiamo testare molte diverse interazioni cellulari possibili e suggerire quali sono effettivamente in grado di spiegare i comportamenti osservati dai biologi. I biologi possono quindi testare le nostre previsioni sul pesce vero.

Il nostro modello suggerisce che ci sono più segnali sul lavoro che istruiscono argento e cellule blu sulla pelle del pesce. Tutti questi segnali sono ridondanti. Alcuni segnali sono tutte le istruzioni di cui una cellula potrebbe aver bisogno in un mondo perfetto, ma il mondo non è perfetto. Ad esempio, pensiamo che le vicine celle nere segnalino agli iridofori di cambiare densità e colore. Ma se non ci sono celle nere intorno a trasmettere quel segnale, le celle d'oro distanti possono riempire e fornire le stesse istruzioni.

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Puoi pensare a questi segnali ridondanti come un mucchio di sveglie diverse. Se hai una riunione importante al mattino, puoi impostare una sveglia, inviare una notifica sul tuo telefono e chiedere una sveglia. Tutta quella ridondanza significa che probabilmente avrai un sacco di spunti per svegliarti. Ma nel caso in cui il tuo telefono muoia o la reception si dimentichi di chiamare, significa che potrai comunque arrivare alla riunione in tempo. La ridondanza garantisce il risultato desiderato, anche in caso di guasto di un segnale.

La stessa idea potrebbe essere al lavoro in zebrafish. Il nostro modello suggerisce che cellule di diverso colore si istruiscono costantemente l'un l'altra. Questo assicura che gli iridofori blu e argento vengano presi a pugni con le direzioni da tutti i lati su come comportarsi. Poiché ci sono più segnali, i guasti occasionali non disturbano troppo i modelli. Il risultato: strisce affidabili.

Perché questo è importante? I geni di Zebrafish sono sorprendentemente simili ai geni umani. Comprendendo come le cellule del pigmento interagiscono nel pesce zebra normale e mutato, i ricercatori potrebbero essere in grado di iniziare a collegare i geni alla loro funzione.

La storia di come si formano i modelli di pesce zebra non è ancora finita. Per ora, però, la prossima volta che vedete un pesce a strisce, prendete in considerazione la possibilità di mettere in pausa un momento per riconoscere tutte le cellule del pigmento di lavoro utilizzate per creare quel modello. Quelle strisce affidabili sono davvero meravigliose.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation di Alexandria Volkening. Leggi l'articolo originale qui.