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ストライプは私たちの生活の中で一般的です。これはかなり基本的なパターンであり、当然のことと思います。
しかし、パターンが自然の中でどのように形成されるかを研究する応用数学者として、私はゼブラフィッシュがその体とひれを横切って身に着けている縞模様に驚いています。
ゼブラフィッシュの黒と金の縞模様をよく見ると、色の異なる色素細胞が何万もあるのがわかります。私たちと同じように、セルは移動し、隣人と対話するように、私はこれらのセルを人々が混雑した部屋の中を歩き回っていると想像するのが好きです。縞模様が現れるのは、セルが非常に注意深く行動方法について互いに指示し合図するためです。遠くの細胞に手を伸ばすことによって、ある意味で「握手」さえします。
数学的な観点から見ると、ゼブラフィッシュの縞は自己組織化の分野に入ります。自己組織化とは、外部からの指示なしに、個人が他の個人よりもはるかに大きい何らかのパターンを作り出す現象です。鳥の群れや群れの魚も自然界における自己組織化の例です。鳥の群れや色素細胞が魚の縞を作り出すように指示を出すメガホンを使用している人は誰もいません。
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最近まで研究コミュニティは、ゼブラフィッシュの縞模様には2種類の細胞、つまり黒い縞模様と金色の縞模様、つまり黒い細胞と金色の細胞しか関与していないと考えていました。しかしながら、実験は、第３のタイプの色素細胞 - 青色および銀色のイリドフォア - がパターン形成に重要であることを示した。皮膚からそれを削除し、そしてゼブラフィッシュはしみがあります！
それでは、成長中のゼブラフィッシュ上の何千もの異なる色の細胞がどのようにして一貫してストライプを形成するのでしょうか。この質問に答えるために、私は応用数学教授のBjorn Sandstedeと共同で数学モデルを開発しました。我々のモデルでは、色素細胞は、それらがどのように動き回り、相互作用しそしてそれらの色を変化させるかについての所定の規則および方程式に従って着色されたドットである。色が異なるセルは異なる動作をします。ゼブラフィッシュについてはたくさんの質問があるので、私たちはそのシーンへの新参者に焦点を合わせることにしました：それらの厄介な青と銀の細胞。
数学は魚に関する典型的な生物学的実験とは異なる見方をしています。生物学者は細胞の振る舞いを観察することができますが、その振る舞いの背後にあるシグナルを推測するのは面倒です。数学的モデルを使用して、我々は多くの異なる可能性のある細胞相互作用をテストし、どれが実際に生物学者が観察する行動を説明することができるかを示唆することができます。生物学者はそれから本物の魚について我々の予測をテストすることができる。
私たちのモデルは、魚の皮の上にある銀と青の細胞を指示する複数の信号が機能していることを示唆しています。これらの信号はすべて冗長です。いくつかの手がかりは、セルが完全な世界で必要とするかもしれないすべての指示ですが、世界は完全ではありません。例えば、我々は近くの黒細胞がそれらの密度と色を変えるために虹色団体に信号を送ると思います。しかし、その信号を送信するための黒いセルが周囲にない場合は、離れた金のセルに記入して同じ指示を出すことができます。
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あなたはこれらの冗長な信号をたくさんの異なる目覚まし時計のように考えることができます。あなたが午前中に重要な会議を開くなら、あなたは目覚まし時計を設定し、あなたの電話に通知を出し、そして目覚めの電話を頼むかもしれません。このような冗長性のすべてが、目覚めさせるための手がかりとなるでしょう。しかし、電話が切れたり、フロントデスクが電話を忘れてしまったりする機会がない場合でも、時間どおりに会議に参加することができます。冗長性により、1つの信号が失敗した場合でも、望ましい結果が保証されます。
同じ考えがゼブラフィッシュで働いているかもしれません。私たちのモデルは、異なる色のセルが絶えず互いに指示し合っていることを示唆しています。これは、青と銀のイリドフォアが、どのように振る舞うべきかについてのあらゆる側面からの指示で拍車をかけられることを確実にします。複数のシグナルがあるので、時折の失敗がパターンを乱すことはありません。その結果、信頼性の高いストライプが得られます。
何でこれが大切ですか？ゼブラフィッシュの遺伝子は驚くほど人間の遺伝子と似ています。色素細胞が正常および変異したゼブラフィッシュにおいてどのように相互作用するかを理解することによって、研究者は遺伝子をそれらの機能に結び付けることを始めることができるかもしれません。
ゼブラフィッシュのパターンがどのように形成されるかの話はまだ終わっていません。ただし、今のところ、次に縞模様の魚が見えたときは、しばらく待って、そのパターンの作成に使用されているすべての作業色素細胞を認識します。それらの信頼できる縞はかなり驚くべきものです。
この記事は、もともとAlexandria VolkeningによってThe Conversationに掲載されました。ここで元の記事を読んでください。