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Streifen sind in unserem Leben üblich. Es ist ein ziemlich grundlegendes Muster und leicht zu verstehen.
Als angewandter Mathematiker, der untersucht, wie sich Muster in der Natur bilden, bin ich jedoch fasziniert von den gestreiften Mustern, die der Zebrafisch auf seinem Körper und seinen Flossen trägt.
Schauen Sie sich die schwarzen und goldenen Streifen des Zebrafischs genauer an, und Sie werden verschiedenfarbige Pigmentzellen sehen, Zehntausende davon. Ich stelle mir diese Zellen gerne als Menschen vor, die in einem überfüllten Raum herumlaufen: Genau wie wir bewegen sich die Zellen und interagieren mit ihren Nachbarn. Streifen erscheinen, weil sich die Zellen sehr genau instruieren und signalisieren, wie sie sich verhalten sollen. Sie „schütteln sich sogar die Hände“, indem sie auf entfernte Zellen zugreifen.
Aus mathematischer Sicht fallen Zebrafischstreifen in das Gebiet der Selbstorganisation, ein Phänomen, bei dem Individuen miteinander interagieren, um ein Muster zu erzeugen, das viel größer ist als jedes Individuum ohne äußere Richtung. Vogelschwärme und Fischschwärme sind auch Beispiele für die Selbstorganisation in der Natur. Niemand ist auf einem Megaphon, der Anweisungen auffordert, so dass Vögel strömen oder Pigmentzellen Fischstreifen produzieren, aber bemerkenswerterweise organisieren sich beide zu Mustern.
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Bis vor kurzem war die Forschung der Meinung, dass nur zwei Arten von Zellen an Zebrafischstreifen beteiligt sind: schwarze und goldene Streifen, also schwarze und goldene Zellen. Experimente zeigten jedoch, dass ein dritter Typ von Pigmentzellen - blaue und silberne Iridophore - für die Musterbildung entscheidend ist. Entferne es von der Haut, und Zebrafisch hat Flecken!
Wie arbeiten also tausende verschiedenfarbiger Zellen auf einem wachsenden Zebrafisch zusammen, um Streifen zu bilden? Um diese Frage zu beantworten, habe ich in Zusammenarbeit mit dem Professor für angewandte Mathematik, Bjorn Sandstede, ein mathematisches Modell entwickelt. In unserem Modell sind Pigmentzellen farbige Punkte nach vorgegebenen Regeln und Gleichungen, wie sie sich bewegen, interagieren und ihre Farbe ändern. Zellen mit unterschiedlichen Farben verhalten sich unterschiedlich. Es gibt viele Fragen zu Zebrafisch, also haben wir uns entschieden, uns auf die Neulinge der Szene zu konzentrieren: diese nervigen blauen und silbernen Zellen.
Mathematik bietet eine andere Perspektive als typische biologische Experimente an Fischen. Biologen können beobachten, wie sich Zellen verhalten, aber es ist schwieriger, die Signale für ihr Verhalten abzuleiten. Mit mathematischen Modellen können wir viele verschiedene mögliche Zellwechselwirkungen testen und vorschlagen, welche die Verhaltensweisen, die Biologen tatsächlich beobachten, tatsächlich erklären können. Biologen können dann unsere Vorhersagen an echten Fischen testen.
Unser Modell legt nahe, dass mehrere Signale am Werk sind, die Silber- und Blauzellen auf der Fischhaut anweisen. Alle diese Signale sind redundant. Ein paar Hinweise sind alles, was eine Zelle in einer perfekten Welt benötigt, aber die Welt ist nicht perfekt. Zum Beispiel glauben wir, dass nahe gelegene schwarze Zellen Iridophoren signalisieren, ihre Dichte und Farbe zu verändern. Wenn es jedoch keine schwarzen Zellen gibt, die dieses Signal übertragen können, können entfernte Goldzellen die gleichen Anweisungen eingeben.
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Sie können sich diese redundanten Signale wie eine Reihe verschiedener Wecker vorstellen. Wenn Sie vormittags ein wichtiges Meeting haben, können Sie einen Wecker einstellen, eine Benachrichtigung auf Ihr Telefon setzen und einen Weckruf anfordern. All diese Redundanz bedeutet, dass Sie wahrscheinlich eine Reihe von Hinweisen zum Aufwachen bekommen. Wenn Sie jedoch nicht mehr telefonieren oder die Rezeption den Anruf vergisst, werden Sie immer noch rechtzeitig zu Ihrem Meeting kommen. Die Redundanz sorgt für das gewünschte Ergebnis, auch wenn ein Signal ausfällt.
Die gleiche Idee kann im Zebrafisch wirken. Unser Modell legt nahe, dass sich verschiedenfarbige Zellen ständig gegenseitig belehren. Dadurch wird sichergestellt, dass blaue und silberne Iridophoren von allen Seiten mit Anweisungen zum Verhalten angestoßen werden. Da es mehrere Signale gibt, stören gelegentliche Fehler die Muster nicht zu sehr. Das Ergebnis: zuverlässige Streifen.
Warum ist das wichtig? Zebrafisch-Gene sind den menschlichen Genen überraschend ähnlich. Durch das Verständnis, wie Pigmentzellen in normalem und mutiertem Zebrafisch interagieren, können Forscher möglicherweise Gene mit ihrer Funktion verknüpfen.
Die Geschichte, wie sich Zebrafisch-Muster bilden, ist noch nicht abgeschlossen. Wenn Sie nun jedoch zum nächsten Mal einen gestreiften Fisch sehen, sollten Sie einen Moment inne halten, um alle Pigmentzellen zu erkennen, die zur Erzeugung dieses Musters verwendet werden. Diese zuverlässigen Streifen sind verdammt unglaublich.
Dieser Artikel wurde ursprünglich auf The Conversation von Alexandria Volkening veröffentlicht. Lesen Sie hier den Originalartikel.
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