Проблема морфогенеза
Все клетки организма содержат одинаковую ДНК. Тем не менее клетки дифференцируются — становясь клетками печени, нейронами, клетками кожи, имеющими совершенно разные формы и функции. И пространственные узоры возникают спонтанно — пятна на леопарде, полосы на зебре, спирали раковины наутилуса. Как возникает позиционная информация в химически однородной системе? Это и есть проблема морфогенеза.
Реакционно-диффузионные системы
Тьюринг предположил, что два химических вещества — активатор и ингибитор, — диффундирующие с разной скоростью через ткань, могут спонтанно нарушить пространственную симметрию. Активатор способствует собственному производству и производству ингибитора; ингибитор подавляет активатор. Если ингибитор диффундирует быстрее активатора, возникают устойчивые пространственные узоры (узоры Тьюринга) — полосы, пятна или более сложные геометрические формы в зависимости от параметров. Ключевое открытие: сложные биологические узоры могут возникать из простой химии без заранее заданного проекта.
Подтверждение и наследие
Узоры Тьюринга были экспериментально подтверждены в химических системах (реакция Белоусова-Жаботинского) и, спустя десятилетия, в биологических: расположение пальцев (сигнальные пути BMP и Noggin), формирование волосяных фолликулов и пигментные узоры у рыб. В 2012 году исследование подтвердило, что рисунок гребней на небе мыши следует реакционно-диффузионному механизму Тьюринга. Статья, которую Тьюринг считал незначительным побочным проектом, стала основополагающей для биологии развития.
Двадцать вопросов, восемь минут на часах и процентиль, измеренный по всем, кто его проходил. Без регистрации.
Пройти тест IQ →Часто задаваемые вопросы
О чем статья Тьюринга по морфогенезу?
Статья Тьюринга 1952 года «Химические основы морфогенеза» предполагает, что два химических вещества, диффундирующие с разной скоростью — активатор и более быстро диффундирующий ингибитор — могут спонтанно создавать устойчивые пространственные узоры (узоры Тьюринга) в химически однородной ткани. Этот механизм, как он утверждал, лежит в основе формирования биологических узоров: маркировки животных, расположения пальцев и развития органов.
Реальны ли узоры Тьюринга в биологии?
Да. Узоры Тьюринга были подтверждены во многих биологических системах: расположение пальцев регулируется динамикой реакции-диффузии BMP-Noggin; формирование волосяных фолликулов; пигментация рыб (полосы зебраданио следуют уравнениям Тьюринга); и формирование гребней неба у мышей (подтверждено в 2012 году). Механизм, описанный Тьюрингом в 1952 году, сейчас является фундаментальной концепцией в биологии развития.
Что такое реакционно-диффузионная система?
Реакционно-диффузионная система включает два или более химических вещества, которые реагируют друг с другом (производство, разрушение, активация, ингибирование), одновременно диффундируя в пространстве. Если скорости реакции и диффузии находятся в нужном режиме, система спонтанно развивает устойчивые пространственные узоры из исходно однородного состояния. Тьюринг первым проанализировал это в биологическом контексте; эта математика применяется в химии, экологии и материаловедении.