iPon Cikkek

Foltok, csíkok és ujjak - Turing-mechanizmusok a természetben

Dátum | 2013. 04. 08.
Szerző | Jools
Csoport | EGYÉB

1952-ben jelent meg Alan Turing korszakalkotó jelentőségű tanulmánya a természetben található, szabályosan ismétlődő mintázatok matematikájáról. A tigris vagy a zebradánió csíkjainak, a leopárd foltjainak vagy éppen az aligátor fogazatának elrendezése most, hatvan évvel később is számos titkot rejt a témát kutató biológusok előtt. A mintázatok kialakulásának genetikai szinten történő teljes megértése olyan más jelentős kérdésekre is választ adhat, mint például hogy hogyan irányítják a gének egy végtag kifejlődését. Turing ráérzett, hogy a látszólag véletlenszerűen elrendezett vonalak és foltok együttesen jól megfogalmazható matematikai törvényszerűségeknek engedelmeskednek, amelyekben egyetlen paraméter megváltoztatása egészen eltérő jellegű mintát eredményez. Tanulmányában két kémiai anyag együttes működésével magyarázza a természetes mintázatok kialakulását. Ezek az ágensek a kutató elképzelése szerint úgy terjednek szét a szervezetben, mint a dobozba zárt gázatomok, azonban ez utóbbiakkal ellentétben az általa morfogéneknek nevezett, mintázatot meghatározó anyagok eloszlása nem egyenletes. Egyikük, az aktivátor, egy olyan egyedi jellegzetesség kialakulásáért felel, mint a tigris egy csíkja, a másik pedig egy ezt a hatást gátló, inhibitor anyag, amely helyenként megakadályozza, hogy az aktivátor kifejtse hatását. Ezek az eltérő diffúziós konstanssal rendelkező anyagok egymás működését szabályozva eredményezik a változatos minták kialakulását.

James Murray, az Oxford matematikai biológiával foglalkozó nyugalmazott professzorának magyarázata szerint Turing alapötletét úgy a legegyszerűbb megérteni, ha egy száraz fűvel borított mezőt képzelünk el, amelyen helyenként szöcskék tartózkodnak. Ha mező füvét véletlenszerűen kiválasztott helyeken meggyújtjuk, és az semmiféle nedvességet nem kapott előzőleg, az egész terület leég. Viszont ha a szituáció a Turing-mechanizmusban hasonlóan zajlik le, akkor a menekülő szöcskék életük mentése közben megizzadnak, és benedvesítik a füvet, amely így foltokban megmenekül a lángoktól. A kialakuló mintázat jellege több faktortól is függ: például a szöcskék számának területhez képesti nagyságától, illetve attól is, hogy mekkora régiókat képesek megóvni a tűz erejével szemben. Az elképzelés kétségkívül érdekesnek tűnt, de abszolút elméleti volt. Turing két évvel később elhunyt, írása pedig a következő évtizedekre a feledés homályába veszett. Bár a hetvenes években számos elméleti munka, illetve számítógépes modell foglalkozott a kérdéssel, és ez utóbbiak közül több sikeresen kreált a természetben látható foltos vagy csíkos mintázatokat a Turing-mechanizmus alkalmazásával, a molekuláris biológia kutatóinak ebben az időben még reményük sem volt arra, hogy az aktivátorként és inhibitorként viselkedő molekulákat azonosítsák. Az utóbbi évek kutatásai aztán több egyéb területen is rábukkantak a Turing-mechanizmushoz hasonló működés nyomaira. A szakértők szerint valami ilyesmi állhat az egerek szőr-, illetve a madarak tolltüszőinek elrendeződése, és az egerek szájpadlásán található dudorok, illetve ujjaik kialakulása mögött is.

A biológusok egy része kételkedik abban, hogy a Turing által leírt reakció-diffúzió mechanizmus kielégítő magyarázattal szolgál mindezen mintázatok kialakulására, főleg hogy más teóriák is akadnak. Ezek egyikét a Londoni Egyetem biológusa, Lewis Wolpert fogalmazta meg, akinek modelljében nem a morfogének, hanem a sejtek „vándorolnak”, vagyis az határozza meg térbeli helyüket, hogy melyik morfogénből mennyi van az adott helyen. A Turing-mechanizmus kritikusainak legfőbb érve az szokott lenni, hogy sokáig nem sikerült olyan molekulákat azonosítani, amelyek az elméletben leírtnak megfelelően aktivátorként vagy inhibitorként viselkednének. Ez volt legalábbis a helyzet egészen tavalyig, amikor is Jeremy Green, és londoni kollégái ráakadtak két olyan ágensre, amelyek a modellben megjósolt módon fejtik ki hatásukat az egérembriók szájpadlásán kialakuló dudorok kifejlődése során. A fibroblaszt növekedési faktor (FGF) az aktivátor, az SHH nevű fehérje pedig az inhibitor szerepét tölti be. Amikor a kutatók a kísérletek során növelték vagy csökkentették ezen anyagok mennyiségét, a dudorok elrendeződése pontosan úgy változott, ahogy Turing egyenletei előre jelezték. Green és társai még tovább mentek: eltávolították a dudorok egyikét, és ezzel szabálytalanságot okoztak a kialakuló mintázatban. Ha a résbe egyszerűen visszanőtt volna egy másik dudor, abból arra lehetne következtetni, hogy nem Turing elmélete alapján működik a folyamat. Azonban nem ez történt: az üres területet rövidesen elágazó mintázatot kialakító extra dudorok töltötték be, ami pedig a Turing-mechanizmus egyértelmű védjegye.

Különféle rendszerekre alkalmazva, a Turing-modell szinte túlságosan is általános érvényűnek tűnik. A szakértők hasonló mintázatokat fedeztek fel például az egyes fajok ökológiai rendszereken belüli eloszlásában is. Itt a zsákmányként szolgáló állatok a gyarapodni, terjeszkedni igyekvő aktivátorok, a ragadozók pedig az inhibitorok, akik ellenőrzésük alatt tartják a populáció létszámát. A neuronok egymást serkentő és gátló működése szintén leírható Turing modelljével. „Ha adott bármilyen két elem, amelyek egyike aktivátorként, a másik pedig inhibitorként viselkedik, azok idővel mindig kialakítanak valamilyen ismétlődő mintázatot” – mondja Green, a homokdűnéken kirajzolódó fodrozódásokat hozva fel példaként. Turing maga is beismerte tanulmányában, hogy modellje jelentősen leegyszerűsíti és idealizálja a háttérben zajló folyamatokat. Ez persze nem jelenti azt, hogy az elmélet helytelen lenne, de a tudomány számára kétségkívül nagyon nehéz volt túllépni a Turing-mechanizmust látszólag követő rendszerek puszta azonosításán, és ehelyett inkább a specifikus folyamatok megismerésére koncentrálni. A zebradániókon végzett kísérletek például igazolták, hogy csíkjaik valóban egyfajta Turing-mechanizmus során keletkeznek, de esetükben nem két különböző anyag szekretálódik, és terjed szét a szervezetben, hanem két eltérő sejt kerül az aktivátor és az inhibitor szerepébe. Itt is kétféle molekula dönti el a serkentő vagy gátló hatás kialakulását, de ezek be vannak ágyazódva az egyes sejtek sejtmembránjába, így a mechanizmus a fejlődő hal sejtjei közti kapcsolatok útján megy végbe.

A Turing-modellnek persze megvannak a maga hibái is, egymagában például biztosan nem lehet felelős a mintázatok méreteiben megfigyelt változatosságért. Erre jó példa lehet a tyúktojások esete, amelyekből kisebb és egészen nagy is akad, a megtermékenyített darabból az idő eljöttével mégis teljes állat kel ki, amelynek nem hiányzik egyetlen testrésze sem. A felmerülő kérdésekre részben talán választ adhat egy új tanulmány, amely az egérembriók ujjainak kialakulásával foglalkozik. Maria A. Ros, a Kantábriai Egyetem kutatójának elmondása szerint munkájuk elsődleges célja a polidaktilia, vagyis a többujjúság okainak felderítése volt. Az ujjak is egy „csíkos” konstrukcióból fejlődnek ki, az ujjbegyek, illetve a tenyérrel való találkozásnál található ízületek közti távolságok azonban eltérőek, különböző hullámhosszú Turing-hullámokról beszélünk tehát, ami azt jelenti, hogy a mechanizmuson túl valamilyen más faktor is kiváltja hatását. A többujjúság kialakulásával több gént is kapcsolatba hoztak, a legfontosabb ezek közül az SHH által szabályozott Gli3. Ezen két elem hiánya az egérembriókban a Hox-géneknek (vagy homeobox-géneknek) nevezett csoport fokozott kifejeződéséhez vezet, amelyek normális működésük során a test szerkezetének kialakításáért felelnek, így a kéz és a láb ujjainak számáért is.

Az egér 39 Hox-génnel rendelkezik, amelyek négy jól elkülönülő csoportba rendeződnek. Ros és társai úgy igyekeztek tesztelni ezen géncsoportok hatásait, hogy kipróbálták, mi történik, ha egy vagy több klaszter hiányzik. Elméletük az volt, hogy minél kevesebb Hox-gén működik, annál kevesebb lesz az ujjak száma. A kísérletek azonban gyökeresen más eredményt hoztak: a gének számának csökkentésével növekedni kezdett az ujjak mennyisége, és egy esetben egyetlen végtagon 15 ujj is kialakult. Az extra ujjak vékonyabbak voltak és közelebb helyezkedtek el a normálisnál, és ugyanazt az elágazó mintázatot demonstrálták, amelyet már az egerek szájpadlásának dudorai kapcsán is megfigyeltek. Amikor Ros egyik kollégája, James Sharpe az ujjak vastagságának és egymástól való távolságának kísérletekben mért adatait betáplálta számítógépes modelljébe, egy Turing-mechanizmust alkalmazva képes volt reprodukálni az eredményeket. Úgy tűnik tehát, hogy az ujjak kialakítása során két különböző Turing-mechanizmus is működésbe lép, amelyek egyike a csíkszerű mintázat létrehozásáért felel, a másik pedig a Hox-géneken keresztül hatva a méretezést koordinálja. Az új eredmények fényében a kutatók úgy vélik, hogy a Turing-modell egy biológiai rendszerek morfogenezise során széles körben alkalmazott, de különböző módszerek útján megvalósított stratégiaként értelmezhető, amelynek eredményét számtalan más faktor is befolyásolja. „A Turing-mechanizmus csak egyetlen elemet jelent annak megértésében, hogyan képes több különféle morfogén együttesen működni” – mondja Green. Már most is tudjuk, hogy a gének működésére mind más gének, mind pedig a környezet hatásai befolyással vannak. A biológiai fejlődés megértése érdekében ki kell deríteni, hogyan befolyásolják a gének azon anyagok működését, amelyek a megfigyelt mintázatok kialakításáért felelnek, illetve azonosítani kell, hogy a rendszer melyik elemei, és milyen módon hatnak egymásra, vélik a kutatók. Az elméleti modelleknek ugyanakkor megvannak a maga korlátai: ha minden részletében meg is értjük, hogy genetikai szinten milyen folyamatok mennek végbe, továbbra sem fogjuk tudni, hogyan építsünk fel egy csirkét.

Új hozzászólás írásához előbb jelentkezz be!

Eddigi hozzászólások

2. lorddiablo
2013.04.08. 21:36
Nem vagyok biológus, a biológiában használt egyenletekben sem vagyok otthon egyáltalán. Viszont a ragadozó-zsákmány modellről hallottam, hogyha ezt egy áramlásba helyezzük virtuálisan, ami nem lamináris, hanem struktúrája a Kármán-féle örvénysorhoz hasonlít, akkor az örvényekben csücsülő populációk meg tudnak maradni, azokat nem eszik meg a ragadozók. Mivel ezek egymással sem tudnak kommunikálni, ezért a mutáció következtében elszigeteltek maradnak egymástól is. Ez szintén magyarázza a biológiai diverzitást. Aki szakmabeli és sejti, hogy hogy működik a mechanizmus, nézzen utána, mert érdekes.

Kármán-féle örvénysor

A természet jellemzően nem dolgozik egyedi egyenletekből minden tudományterülethez külön-külön, így lehet, hogy a turbulencia problémájához hasonló egyenletre jutnak a biológusok, akik ezzel foglalkoznak. Mindenesetre biztosan segíteni fog bármilyen fejlemény a klasszikus fizika utolsó problémájának (a turbulenciának, megfejtője Nobel-díjra számíthat...) a megoldásában, ha ezt sikerül megoldani.
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
1. tibohu lordd...
2014.01.28. 18:14
Szia! Csak műkedvelő vagyok.
Milyen problémák adódnak a turbulencia leírásakor?
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!