Waarom hebben zebravis strepen? Een wiskundemodel legt het patroon uit

$config[ads_kvadrat] not found

HAVO4wisB_H1_14 Wiskundig model

HAVO4wisB_H1_14 Wiskundig model
Anonim

Strepen zijn gebruikelijk in ons leven. Het is een vrij eenvoudig patroon en gemakkelijk om als vanzelfsprekend te beschouwen.

Als een toegepaste wiskundige die onderzoekt hoe patronen in de natuur ontstaan, ben ik echter onder de indruk van de gestreepte patronen die de zebravis over zijn lichaam en vinnen draagt.

Kijk eens goed naar de zwarte en gouden strepen van de zebravis, en je ziet verschillende pigmentcellen, tienduizenden. Ik zie deze cellen graag als mensen die rondlopen in een volle kamer: net als wij bewegen de cellen en communiceren ze met hun buren. Strepen verschijnen omdat de cellen heel voorzichtig instrueren en elkaar waarschuwen over hoe ze zich moeten gedragen. Ze "schudden zelfs" in zekere zin door reikende naar verre cellen.

Vanuit een wiskundig perspectief vallen zebravisstroken in het veld van zelforganisatie, een fenomeen waarbij individuen op elkaar inwerken om een ​​patroon te produceren dat veel groter is dan elk individu, zonder externe richting. Vogelkoppels en scholvissen zijn ook voorbeelden van zelforganisatie in de natuur. Niemand is op een megafoon die richtingen oproept, zodat vogels massaal of pigmentcellen visstralen produceren, maar opmerkelijk genoeg organiseren ze zichzelf om patronen te creëren.

Zie ook: Wetenschappers doorhalen één concurrerende verklaring waarom zebra's strepen hebben

Tot voor kort dacht de onderzoeksgemeenschap dat slechts twee soorten cellen betrokken waren bij zebravisstrepen: zwarte en gouden strepen, dus zwarte en gouden cellen. Experimenten toonden echter aan dat een derde type pigmentcel - blauwe en zilveren iridophores - van cruciaal belang is voor patroonvorming. Verwijder het van de huid en zebravissen hebben vlekken!

Dus hoe werken duizenden verschillend gekleurde cellen op een groeiende zebravis samen om consistent strepen te vormen? Om deze vraag te beantwoorden, ontwikkelde ik een wiskundig model in samenwerking met professor wiskunde Bjorn Sandstede. In ons model zijn pigmentcellen gekleurde stippen volgens voorgeschreven regels en vergelijkingen voor hoe ze bewegen, op elkaar inwerken en hun kleur veranderen.Cellen met verschillende kleuren gedragen zich op verschillende manieren. Er zijn veel vragen over de zebravis, dus we besloten ons te concentreren op de nieuwkomers ter plaatse: die vervelende blauwe en zilveren cellen.

Wiskunde biedt een ander perspectief dan typische biologische experimenten op vissen. Biologen kunnen kijken hoe cellen zich gedragen, maar het is lastiger om de signalen achter hun gedrag af te leiden. Met behulp van wiskundige modellen kunnen we veel verschillende mogelijke celinteracties testen en suggereren welke het gedrag van biologen daadwerkelijk kunnen verklaren. Biologen kunnen dan onze voorspellingen op echte vissen testen.

Ons model suggereert dat er meerdere signalen op het werk zijn die zilveren en blauwe cellen op de huid van de vissen instrueren. Al deze signalen zijn overbodig. Een paar aanwijzingen zijn alle instructies die een cel nodig heeft in een perfecte wereld, maar de wereld is niet perfect. We denken bijvoorbeeld dat nabije zwarte cellen iridophoriën signaleren om hun dichtheid en kleur te veranderen. Maar als er geen zwarte cellen in de buurt zijn om dat signaal te verzenden, kunnen gouden cellen op afstand invullen en dezelfde instructies geven.

Zie ook: First-Ever Video of Deep-Sea Anglerfish Sex maakt Missionary Look Flashy

Je kunt deze overbodige signalen zien als een hoop verschillende wekkers. Als u 's morgens een belangrijke vergadering heeft, kunt u een wekker instellen, een melding op uw telefoon plaatsen en om een ​​wake-up-oproep vragen. Al die overtolligheid betekent dat je waarschijnlijk een aantal aanwijzingen krijgt om wakker te worden. Maar als de kans afneemt dat uw telefoon komt te overlijden of als de receptie vergeet te bellen, betekent dit ook dat u nog steeds op tijd bij uw vergadering bent. De redundantie zorgt voor het gewenste resultaat, zelfs als een signaal faalt.

Hetzelfde idee kan in de zebravis werken. Ons model suggereert dat cellen met verschillende kleuren elkaar voortdurend instrueren. Dit zorgt ervoor dat blauwe en zilveren iridophores worden geteisterd met aanwijzingen van alle kanten over hoe je je moet gedragen. Omdat er meerdere signalen zijn, verstoren incidentele storingen niet teveel patronen. Het resultaat: betrouwbare strepen.

Waarom is dit belangrijk? Zebravis-genen zijn verrassend vergelijkbaar met menselijke genen. Door te begrijpen hoe pigmentcellen interageren in normale en gemuteerde zebravissen, kunnen onderzoekers genen gaan koppelen aan hun functie.

Het verhaal van hoe de patronen van de zebravis vormen, is nog niet afgelopen. Maar voor nu, de volgende keer dat je een gestreepte vis ziet, overweeg dan een moment te pauzeren om alle werkpigmentcellen te herkennen die in het creëren van dat patroon zijn gestopt. Die betrouwbare strepen zijn best verbazingwekkend.

Dit artikel werd oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation door Alexandria Volkening. Lees hier het originele artikel.

$config[ads_kvadrat] not found