Математическая симфония жизни: Алан Тьюринг и тайна сперматозоидов

Важное открытие в области биологии было сделано в рамках недавнего исследования, опубликованного в журнале Nature Communications. Аспирант Джеймс Касс совместно с коллегами продемонстрировали, что хвост сперматозоида, известный как жгутик, создает узоры во время движения, которые соответствуют теории реакции-диффузии, предложенной Аланом Тьюрингом. Эта теория изначально была разработана для объяснения формирования узоров в химических реакциях.

Алан Тьюринг, возможно, наиболее известен своей работой по взлому немецкого коммуникационного кода «Энигма» во время Второй мировой войны . Но он также выдвинул теорию, согласно которой закономерности могут формироваться просто за счет распространения (диффузии) химических соединений и реакции друг с другом. Это стало известно как теория реакции-диффузии формирования узоров .

Исследователи обнаружили, что движение сперматозоидов математически схоже с тем, как формируются узоры в природе, например, на шкуре зебр и леопардов, в распределении семян подсолнечника и узорах на песке пляжей. Они использовали математическое моделирование и симуляции, чтобы понять, как окружающая среда влияет на движение сперматозоидов. Результаты показали, что жидкости с низкой вязкостью, характерные для водной среды, оказывают минимальное влияние на форму жгутика.

Математика движения жгутика спермия очень сложна. Жгутик использует «моторы» молекулярного масштаба для эффективного изменения формы. Они используют энергию в одной форме и преобразуют ее в механическую работу, создавая движение. Эти двигатели приводят в действие крошечные волокна, которые существуют в пучке, называемом аксонемой . Это красивые, геометрические и тонкие структуры, длина которых в человеческой сперме может достигать 0,05 миллиметра — примерно половина ширины человеческого волоса.

Аксонема очень гибкая, а это значит, что по ней могут распространяться волны микрометрового масштаба. Это активное ядро ​​жгутика, отвечающее за продвижение сперматозоидов. Они даже могут чувствовать окружающую среду .

Плавательное движение является результатом сложных взаимодействий между пассивными компонентами, такими как аксонема и ее эластичные соединительные части, активными частями (молекулярными моторами) и окружающей жидкостью.

Жидкая среда, в которой перемещаются сперматозоиды, создает сопротивление, препятствующее движению жгутика. Для того, чтобы сперматозоиды могли путешествовать, несколько, частично антагонистических факторов должны достичь баланса, при котором колебания жгутика продвигают сперму.

Открытие имеет широкие перспективы применения, от понимания причин бесплодия, связанных с нарушениями движения жгутиков, до разработки новых робототехнических приложений, включая искусственные мышцы и так называемые аниматные материалы — материалы, меняющие свои свойства в зависимости от использования.

Однако исследователи подчеркивают, что математика — несовершенный инструмент для изучения природных явлений, и предложенная теория реакции-диффузии может быть слишком упрощенной для полного понимания всей сложности процессов. Тем не менее, они надеются, что их открытия принесут пользу научному сообществу.