Воспоминания моллюсков выводят узоры на растущих раковинах
Вы думали, сколько форм ракушек есть в природе? А сколько вариантов их раскраски? Изумительно, но оказалось, что все это обилие описывается один-одинешенек единственным уравнением с девятью переменными. Изящное открытие, совершенное на стыке арифметики, биологии и (сюрприз) нейрофизиологии, сориентирует ученым превосходнее осознать, как действует… наш мозг, и даже как в нем хранятся воспоминания.
Вы думали, сколько форм ракушек есть в природе? А сколько вариантов их раскраски? Дивно, но оказалось, что все это обилие описывается один-одинехонек единственным уравнением с девятью переменными. Изящное открытие, совершенное на стыке арифметики, биологии и (сюрприз) нейрофизиологии, сориентирует ученым превосходнее осознать, как действует… наш мозг, и даже как в нем хранятся воспоминания.
Необыкновенный подход к раскрытию загадки рисунков на моллюсках применяли аспирант Алистер Биттайгер (Alistair Boettiger) из Калифорнийского института в Беркли (UC Berkeley), его соратник по вузу биофизик Джордж Остер (George Oster), а также нейрофизиолог Бэрд Ирментраут (Bard Ermentrout) из Питтсбурга (University of Pittsburgh).
Они говорят, что за творенье специфичных разноцветных орнаментов раковин, одинаково как и за выбор их формы, включая маленькие элемента вроде холмов и борозд, отвечают нейронные сети, интегрированные в мантии того либо другого моллюска.
Возрастающая мантия помнит распределение веществ (в частности, карбоната кальция) в оболочке, выпитом накануне, и выстраивает новейший оболочка соответственно совместному плану. «Набросок на раковине это память моллюска», утверждает Остер. Ну, не полностью реальная память, как, допустим, у жителя нашей планеты. Но все же сходство здесь наиболее глубочайшее, чем будто на основной взор.
«Оболочка составлена из слоев. Мантия зондирует историю «идей» моллюска и экстраполирует их на должно степень, верно так же, как наш мозг раздумывает о водящемся», набавляет исследователь.
Здесь необходимо объяснить, что морских моллюсков рано записывать в философы. Речь идет о недалеких аналогиях. Ведь что этакое мысль с точки зрения физиологии? Упрощенно разговаривая, это волны возбуждений и торможений в нейронных цепях.
Но конкретно этакие волны и обращают рост раковины «по плану», изъясняют наши герои. А что все-таки описывает сам план? Осознать это сориентирует шаг в сторонку… зрительных иллюзий.
Еще в 1865 году австрийский физик Эрнст Мах (Ernst Mach) выдвинул предположение, что за некие из обманов зрительного восприятия отвечает так именуемое латеральное торможение (lateral inhibition). Практически оно имелось искренне и доказано самое большее позднее теснее в XX веке.
Эффект содержится в последующем: сенсор (палочка), тот или иной испытывает более мощный стимул (свет), не только лишь высылает соответственный сигнал в мозг, да и подавляет реакцию на свет у пары примыкающих клеток (другими словами окружает себя зоной торможения).
В итоге автоматом увеличивается контраст наблюдаемого изображения и улучшается восприятие граней и границ предметов, необычно в критериях басистой освещенности. Этот же эффект, заметим, действует и в случае тактильного восприятия и занятия детекторов в шкуре.
В частности, зрительная иллюзия «Полосы Маха» (Mach bands) разъясняется конкретно латеральным торможением линий фоторецепторов, на тот или иной попадают те либо другие вертикальные полосы на картинке.
Так как сеть клеток расценивает не практически яркость каждой точки «в абсолюте», а ассоциирует яркость точек примыкающих, принудительно повышаемый латеральным эффектом контраст приводит к любознательным оплошностям в восприятии (глядите набросок слева). Такая наша (а пространнее млекопитающих) плата за приличную четкость зрения в сумерках.
Какая здесь касательство с раковинами моллюсков? Самая искренняя конкретно латеральное торможение заведует нанесением рисунка на возрастающей оболочке морского существа. Еще в 1970-х Остер и Ирментраут выпустили близкую раннюю нейронную модель механизма управления ростом раковины. Но у их не имелось потенциалов проверить ее. Нынче же они (совместно с Биттайгером) выполнили легко виртуозную занятие.
Вначале с помощью электронного микроскопа ученые выучили на образце пары моллюсков, как сеть рецепторов в мантии связана с секреторными клеточками, производящими карбонат кальция и белки (число из их это пигменты). Во период наращивания новейшего оболочки степень синтеза тех либо других веществ описывает и форму, и цвет (узор) оболочки.
Далее создатели идеи смоделировали масштаб областей торможения вокруг возбужденных нейронов в возрастающей раковине, точнее вокруг секреторных клеток, управляемых нейронами, а также оценили вероятные пороги срабатывания латерального эффекта.
Оказалось, что все физиологические композиции обусловливаются девятью параметрами. Это и глодать переменные коэффициенты в единичном уравнении (составленном создателями занятия), заключение тот или другой описывает сколько каких соединений будет «выложено на стенку» в каждой точке по мере постройки ракушки.
Проверить численную модель удалось так: варьируя начальные 9 характеристик, создатели программы смогли заработать в компе чуть ли не многие главные внешности моллюсков! А как конкретно обнаруженные верховодила действовали в тех либо других вариантах мы на данный момент объясним.
Биттайгер и его коллеги узнали, что все картинки на раковинах можнож поделить на три класса: полосы, идущие параллельно растущему закраине, полосы, идущие перпендикулярно растущему закраине, и трудные картинки, формирующие часто повторяющиеся пятнышки, шеврончики и т д, как объясняют создатели сделанные бегающими волнами пигмента и кальция.
Проявление того либо другого разновидности рисунка зависит от нрава занятия латерального торможения нейронов в мантии моллюска.
Ежели клеточки, выдающие пигмент, подавляют секрецию пигмента в примыкающих клеточках, но не у себя, одна и та же схема распределения «строительного раствора» повторяется изо дня в задевай, генерируя полосу, перпендикулярную растущему закраине раковины. Ежели так же действуют секреторные клеточки, производящие карбонат кальция, возникают гребни.
Ученые отмечают, что по мере роста размахов раковины гребни и полосы делятся (ветвятся), оставаясь каждый (-ая) той же ширины, что и ранее. Это обосновано аккуратно математически физический масштаб регионов ингибирования нейронов в любом участке схож.
Полосы, параллельные закраине раковины, создатели модели объяснили ингибированием секреторной деятельности клеток в водящемся (с отсрочкой). Пигмент, приобретенный в один-одинехонек задевай, может удерживать занятие секреторных клеток в движение пары последующих дней, в итоге творя эффект включения/выключения краски, приводящий к серии полос.
Более же увлекательны, сообщается в пресс-релизе института, модели, тот или иной генерируют зигзаги, алмазы, шевроны, наконечники стрел и т д. Это происходит, иногда водящийся пигмент подавляет секрецию на этом же участке, только лишь в водящемся, но возбуждает секрецию в окружающих клеточках. Пятнышка пигмента, эким образом, «движутся» вбок изо дня в задевай по мере роста моллюска, производя нечто вроде бегающей волны. А интерференция эких волн и порождает трудные узоры.
Занятие южноамериканских ученых обязана оказаться полезной сходу для пары направлений в био исследованиях. Ведь то же латеральное торможение приходит главным принципом занятия нейронных сетей вообщем, а не только лишь порядка зрительного восприятия. В частности, оно участвует в регуляции высшей сердитой деятельности, в механизме занятия памяти и даже в развитии эмбриона и квалификации клеток возрастающего организма.
Так достается, что элементарные принципы, обнаруженные Махом чуть ли не полтора века назад, оказались применимы для воссоздания трудных устройств настолько, будто, непохожих приятель на приятеля: от зрительных иллюзий до мозговой деятельности и «рисования» все тех же «картин» на боках моллюсков.
Сами исследователи хотят употребить обнаруженные ними закономерности к еще одной задаче из области морской живности. Процессы, подобные проявлению рисунка на раковине, только лишь идущие несоизмеримо скорее, отвечают за смены цвета каракатиц, иногда играющих красками, будто стробоскоп считает Остер.
Этакая вот широта употреблений метода. Но стоит дивиться? Во целых благовидных вещах находится некоторая гармония, тот или другой, вероятно, описывается совместными формулами. Краса установки природы проступает во обилье образов. Моллюски едва пример. Недаром один-одинехонек из творцов данной для нас занятия Биттайгер заявил, что единственной заслугой в ней имелось эстетическое чувство, чувство красы итого проекта.
Posted in ЭкоБиология by admin with comments disabled.