Воспоминания моллюсков выводят узоры на растущих раковинах
Вы думали, сколько форм ракушек есть в природе? А сколько вариантов их раскраски? Умопомрачительно, 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 функционирует… наш мозг, и даже как в нем хранятся воспоминания.
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, направит ученым превосходнее осознать, как функционирует… наш мозг, и даже как в нем хранятся воспоминания.
Необыкновенный подход к раскрытию загадки рисунков на моллюсках употребляли 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, в равной мере как и за выбор их формы, включая небольшие 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 покрове, пропущенном накануне, и выстраивает новейший оболочка соответственно корпоративному плану. «Набросок на раковине это память моллюска», утверждает Остер. Ну, не полностью истинная память, как, допустим, у жителя нашей планеты. Но все же сходство здесь наиболее глубочайшее, чем как будто на основной взор.
«Оболочка составлена из слоев. Мантия зондирует историю «идей» моллюска и экстраполирует их на должно ватерпас, верно так же, как наш мозг раздумывает о имеющемся», 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 устремляют рост раковины «по плану», разъясняют наши герои. А что все-таки описывает сам план? Осознать это направит шаг в страну… зрительных иллюзий.
Еще в 1865 году австрийский физик Эрнст Мах (Ernst Mach) выдвинул предположение, что за некие из обманов зрительного восприятия отвечает так давать имя латеральное торможение (lateral inhibition). Практически оно имелось искренне и доказано самое большее позднее теснее в XX веке.
Эффект содержится в надлежащем: 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, в особенности в критериях басистой освещенности. Этот же эффект, заметим, функционирует и в случае тактильного восприятия и службы детекторов в шкуре.
В частности, зрительная иллюзия «Полосы Маха» (Mach bands) разъясняется конкретно латеральным торможением линий фоторецепторов, на тот или другой попадают те либо другие вертикальные полосы на картинке.
Так как сеть клеток расценивает не практически яркость каждой точки «в абсолюте», а сопоставляет 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 отношение с раковинами моллюсков? Самая искренняя конкретно латеральное торможение правит 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. Сейчас же они (сообща с Биттайгером) выполнили легко виртуозную занятие.
Первоначально с помощью электронного микроскопа ученые исследовали на образце пары моллюсков, как сеть рецепторов в мантии связана с секреторными клеточками, производящими карбонат кальция и белки (количество из их это пигменты). Во пора наращивания новейшего оболочки ватерпас синтеза тех либо других веществ описывает и форму, и цвет (узор) оболочки.
Потом творцы 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 грызть переменные коэффициенты в единичном уравнении (составленном творцами службы), вывод тот или иной описывает сколько каких соединений будет «выложено на стенку» в каждой точке по мере стройки ракушки.
Проверить численную модель удалось так: варьируя начальные 9 характеристик, творцы программы смогли заработать в компе чуть ли не многие главные облики моллюсков! А как конкретно обнаруженные верховодила функционировали 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 творцы сделанные бегающими волнами пигмента и кальция.
Проявление того либо другого вида рисунка зависит от нрава службы 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 на днях, генерируя полосу, перпендикулярную растущему закраине раковины. Ежели так же действуют секреторные клеточки, производящие карбонат кальция, возникают гребни.
Ученые отмечают, что по мере роста масштабов 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, творцы модели объяснили ингибированием секреторной деятельности клеток в имеющемся (с отсрочкой). Пигмент, заработанный в один-одинехонек на днях, может удерживать занятие секреторных клеток в процесс пары должно дней, в итоге творя эффект включения/выключения краски, приводящий к серии полос.
Более же занимательны, сообщается в пресс-релизе института, модели, тот или другой генерируют зигзаги, алмазы, шевроны, наконечники стрел и т д. Это происходит, иногда водящийся пигмент подавляет секрецию на этом же участке, только лишь в имеющемся, но возбуждает секрецию в окружающих клеточках. Пятнышка пигмента, таковым образом, «движутся» вбок изо дня в на днях по мере роста моллюска, производя нечто вроде бегающей волны. А интерференция этаких волн и порождает трудные узоры.
Занятие южноамериканских ученых соответственна оказаться полезной немедленно для пары направлений в био исследованиях. Ведь то же латеральное торможение прибывает главным принципом службы нейронных сетей вообщем, а не только лишь порядка зрительного восприятия. В частности, оно участвует в регуляции высшей сердитой деятельности, в механизме службы памяти и даже в развитии эмбриона и квалификации клеток возрастающего организма.
Так раздобывается, что элементарные принципы, обнаруженные Махом чуть ли не полтора века назад, оказались применимы для изображения трудных устройств настолько, как будто, непохожих товарищ 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 стремительнее, отвечают за смены цвета каракатиц, иногда играющих красками, как будто стробоскоп считает Остер.
Этакая вот широта использований метода. Но стоит дивиться? Во целых благовидных вещах находится некоторая гармония, тот или иной, может быть, описывается совместными формулами. Краса агрегата природы проступает во обилье образов. Моллюски только пример. Недаром один-одинехонек из создателей данной для нас службы Биттайгер заявил, что единственной заслугой в ней имелось эстетическое чувство, чувство красы итого проекта.
Posted in ЭкоБиология by admin with comments disabled.