The Morphogenesis Problem
Все клетки организма содержат одну и ту же ДНК. Но клетки дифференцируются — становятся клетками печени, нейронами, клетками кожи с совершенно разными формами и функциями. И пространственные узоры возникают спонтанно — пятна на леопарде, полосы на зебре, спирали раковины наутилуса. Как в химически однородной системе возникает позиционная информация? В этом суть проблемы морфогенеза.
Reaction-Diffusion Systems
Тьюринг предположил, что два химических вещества — активатор и ингибитор, диффундирующие с разными скоростями через ткань, могут спонтанно нарушить пространственную симметрию. Активатор стимулирует собственное производство и производство ингибитора; ингибитор подавляет активатор. Если ингибитор диффундирует быстрее активатора, возникают устойчивые пространственные узоры (паттерны Тьюринга) — полосы, пятна или более сложные геометрии в зависимости от параметров. Ключевая идея: сложный биологический узор может возникнуть из простой химии без предсуществующего плана.
Подтверждение и наследие
Паттерны Тьюринга экспериментально подтверждены в химических системах (реакция Белоусова-Жаботинского) и спустя десятилетия в биологических системах: расположение пальцев (сигнализация BMP и Noggin), размещение волосяных фолликулов и пигментные узоры у рыб. В 2012 году исследование подтвердило, что расположение гребешков на нёбе у мышей соответствует механизму реакции-диффузии Тьюринга. Статья, которую Тьюринг считал незначительным боковым проектом, стала основополагающей для биологии развития.
Frequently Asked Questions
О чём работа Тьюринга о морфогенезе?
В своей статье 1952 года «Химическое основание морфогенеза» Тьюринг предложил, что два химических вещества, диффундирующих с разными скоростями — активатор и более быстро распространяющийся ингибитор — могут спонтанно генерировать устойчивые пространственные узоры (паттерны Тьюринга) в химически однородной ткани. Этот механизм, утверждал он, лежит в основе биологического формообразования: окраски животных, расположения пальцев и развития органов.
Существуют ли паттерны Тьюринга в живых организмах?
Да. Паттерны Тьюринга подтверждены в множестве биологических систем: расположение пальцев определяется динамикой реакции-диффузии BMP-Noggin; закономерное размещение волосяных фолликулов; пигментация рыб (полосы у данио следуют уравнениям Тьюринга); и формирование гребешков на нёбе у мышей (подтверждено в 2012 году). Механизм, описанный Тьюрингом в 1952 году, теперь является фундаментальной концепцией эволюционной биологии развития.
Что такое система реакции-диффузии?
Система реакции-диффузии включает два или более химических вещества, которые реагируют друг с другом (производство, разложение, активация, ингибирование) и одновременно распространяются в пространстве. Если скорости реакции и диффузии находятся в нужном диапазоне, система спонтанно развивает устойчивые пространственные узоры из первоначально однородного состояния. Тьюринг впервые проанализировал это в биологическом контексте; математика применима к химии, экологии и материаловедению.
Прочитайте полную статью на Geniuses.Club