精子游动的结果与被认为决定斑马条纹的模式相同

人们认为化学反应的模式可以创造自然界中的图案，例如线条和斑点。 新研究 他解释说，这些模式的数学基础也决定着精子尾部的运动方式。

结果今天发表在 自然通讯他们揭示了鞭毛（例如精子尾部和纤毛）的运动遵循数学家艾伦·图灵发现的相同模式形成模板。

鞭毛波纹在时空中形成带状图案，产生沿着尾部传播的波，推动精子和微生物前进。

艾伦·图灵因在二战期间帮助破解神秘密码而闻名。 然而，他还发展了一种模式形成理论，该理论预测化学模式可能会自发出现，只包含两个组成部分：化学物质扩散（扩散）和相互作用。 图灵首先提出了所谓的模式形成的相互作用扩散理论。

图灵为利用反应和扩散数学来理解自然模式的全新研究类型铺平了道路。 今天，图灵首先设想的这些化学模式被称为图灵模式。 尽管尚未得到实验证据证明，但这些图案被认为控制着自然界的许多图案，例如虎斑、向日葵头上的种子圈和海滩上的沙纹。 图灵的理论可以应用于从生物学、机器人到天体物理学的各个领域。

数学家 Hermes Gadilha 博士，布里斯托大学综合数学实验室主任，博士。 学生詹姆斯·卡斯在布里斯托大学工程数学与技术学院进行了这项研究。

“鞭毛和纤毛的自发、活的运动在自然界随处可见，但人们对它们如何协调知之甚少。它们对于地球上几乎所有水生微生物的健康和疾病、繁殖、发育和生存都很重要，”加德哈解释说。

该团队受到最近对低粘度流体的观察的启发，即周围环境在鞭毛中起着次要作用。 他们利用数学建模、模拟和数据匹配来证明鞭毛波纹可以自发产生，而不受液体环境的影响。

从数学上讲，这相当于图灵反应扩散系统，该系统最初是针对化学模式提出的。

对于游动的精子来说，分子马达的化学反应为鞭毛提供动力，弯曲运动沿着尾部以波浪的形式传播。 视觉模式和运动模式之间的通用性是惊人且出乎意料的，这表明只需要两个简单的组件即可实现非常复杂的运动。

“我们已经证明，两个非常遥远的物种都遵循这个数学‘配方’——公牛精子和衣藻（一种在科学领域用作模型生物的绿藻），这表明大自然复制了类似的解决方案。即使不受影响，这些生物体也会自发产生。鞭毛与其周围的液体相连，这意味着鞭毛具有万无一失的机制，使其能够在低粘度环境中游泳，这对于水生物种来说是不可能的。

“这是第一次将模拟模型与实验数据进行如此良好的比较。我们感谢研究人员免费提供他们的数据，没有他们，我们就无法推进这项数学研究。”

这些发现将来可能会用于更好地了解与鞭毛运动异常和其他纤毛病相关的生育问题； 人体内纤毛失效而引起的疾病。

由于该团队发现了一种用于制作运动模式的简单“数学配方”，因此还可以进一步探索在机器人、人造肌肉和移动材料中的应用。

Gadilha 博士还是布里斯托机器人实验室 (BRL) SoftLab 的成员，他在那里利用模式形成数学来发明下一代软机器人。

“1952 年，图灵发现了化学模式相互作用和扩散的基础，”Jadelha 博士说。 “我们已经证明，细胞世界中运动的‘原子’鞭毛使用图灵模板来形成运动模式，从而驱动尾部运动，从而推动精子前进。

“虽然这离数学破译自然界的自发动画又近了一步，但我们的反应扩散模型太简单，无法完全捕捉所有的复杂性。在模型空间中可能还有其他模型符合相同的要求，或者“甚至更好，实验，我们还不知道它们，所以仍然需要更多的研究。”

数值工作是使用布里斯托大学高级计算研究中心的计算和数据存储设施进行的。