Dyremønstre - de striber, pletter og rosetter, der ses i naturen - er en kilde til uendelig fascination, og nu har forskere ved University Bath udviklet en robust matematisk model til at forklare, hvordan en vigtig art, zebrafisken, udvikler sig dens striber.
I dyreriget begynder arrangementet af hudpigmentceller i det embryonale udviklingsstadium, hvilket gør mønsterdannelse til et område af stor interesse, ikke kun for et lægfolk, men også for videnskabsmænd - især udviklingsbiologer og matematikere.
Zebrafisk er uvurderlige til at studere sygdomme hos mennesker. Disse ydmyge ferskvands minnows kan synes at have lidt til fælles med pattedyr, men faktisk viser de mange genetiske ligheder med vores art og kan prale af en lignende liste over fysiske egenskaber (inklusive de fleste større organer).
Zebrafisk giver også grundlæggende indsigt i de komplekse og ofte vidunderlige processer, der understøtter biologien. At studere deres slående udseende kan med tiden blive relevant for medicin, da mønsterdannelse er et vigtigt generelt træk ved organudvikling. derfor kan en bedre forståelse af pigmentmønsterdannelse give os indsigt i sygdomme forårsaget af forstyrrelse af cellearrangementer i organer.
Den nye matematiske model, der er udviklet i Bath, baner vejen for yderligere udforskning af pigmentmønstre og deres lighed på tværs af forskellige arter. Pigmentering hos zebrafisk er et eksempel på et opstået fænomen - et fænomen, hvor individer (celler i dette tilfælde), som alle handler efter deres egne lokale regler, kan selvorganisere sig for at danne et ordnet mønster i en skala meget større, end man kunne forvente. Andre eksempler på nye fænomener i biologien omfatter flokken af stære og synkronsvømning set i fiskestimer.
Dr Kit Yates, matematikeren fra Bath, der ledede undersøgelsen, sagde: "Det er fascinerende at tænke på, at disse forskellige pigmentceller, som alle fungerer uden koordineret centraliseret kontrol, pålideligt kan producere de stribede mønstre, vi ser i zebrafisk. Vores modellering fremhæver de lokale regler, som disse celler bruger til at interagere med hinanden for at generere disse mønstre robust."
"Hvorfor er det vigtigt for os at finde en korrekt matematisk model til at forklare striberne på zebrafisk?" spørger professor Robert Kelsh, medforfatter til undersøgelsen. "Delvis fordi pigmentmønstre er interessante og smukke i sig selv. Men også fordi disse striber er et eksempel på en vigtig udviklingsproces. Hvis vi kan forstå, hvad der foregår i mønsterudviklingen af et fiskeembryo, kan vi muligvis få dybere indsigt i den komplekse koreografi af celler i embryoner mere generelt."
Striberne på en voksen 'vildtype' zebrafisk er dannet af pigmentholdige celler kaldet kromatoforer. Der er tre forskellige typer kromatofor i fiskene, og efterhånden som dyret udvikler sig, flytter disse pigmentceller sig rundt på dyrets overflade, interagerer med hinanden og organiserer sig selv i det stribede mønster, som fiskene er opkaldt efter. Lejlighedsvis opstår mutationer, som ændrer, hvordan cellerne interagerer med hinanden under mønsterudvikling, hvilket resulterer i plettet, leopardhud eller labyrintlignende labyrintiske markeringer.
Forskere ved meget om de biologiske interaktioner, der er nødvendige for selvorganisering af en zebrafisks pigmentceller, men der har været en vis usikkerhed om, hvorvidt disse interaktioner giver en omfattende forklaring på, hvordan disse mønstre dannes. For at teste de biologiske teorier udviklede Bath-holdet en matematisk model, der inkorporerede de tre celletyper og alle deres kendte interaktioner. Modellen har vist sig at være vellykket og forudsiger mønsterudviklingen af både vildtype- og mutantfisk.
Matematikere har i mange år forsøgt at forklare, hvordan zebrafiskstriber dannes, men mange tidligere modelleringsforsøg har ikke været i stand til at redegøre for det brede udvalg af observerede fiskemutantmønstre. Jennifer Owen, videnskabsmanden, der er ansvarlig for at bygge og køre modellen, sagde: "En af fordelene ved vores model er, at den på grund af dens kompleksitet kan hjælpe med at forudsige udviklingsdefekter hos nogle mindre forståede mutanter. Vores model kan f.eks. hjælpe med at forudsige celle-celle-interaktioner, der er defekte i mutanter såsom leopard, som viser pletter."
