Tilfældige bevægelser hjælper farvedetekterende celler med at danne det rigtige mønster

Hos fisk og andre dyr, de farvedetekterende kegleceller i nethinden er arrangeret i specifikke mønstre, og dette menes at være vigtigt for at tillade dyr at fornemme deres omgivelser korrekt. Nu, i forskning offentliggjort i Fysisk gennemgang E , en tværfaglig gruppe af fysikere og biologer har brugt en matematisk model til at bestemme, hvordan keglecellerne i zebrafisk – en fælles eksperimentel fiskemodel – er arrangeret i et bestemt mønster hos alle individer. Det viser sig, at små defekter i mønstrene får cellerne til at indrette sig i kun et af to mulige mønstre, som ellers kunne dukke op.

Disse fisks øjne har fire forskellige typer kegleceller, som fornemmer blå, ultraviolet, og en kombination af rød og grøn. "Dobbeltkegle"-cellerne, der registrerer rødt og grønt, kan arrangeres i forskellige orienteringer, så cellerne kan ende i et mønster af ultraviolet, blå, og røde/grønne celler i forskellige mønstre. Efterhånden som fiskeøjnene udvikler sig, disse celler stammer fra et område kaldet den ciliære randzone, differentieres til de forskellige kegleceller, og arrangere sig selv i et tilfældigt mønster. Imidlertid, til sidst omarrangerer de sig selv til et bestemt mønster. En hypotese er, at mønstrene opstår fra den forskellige adhæsionskraft mellem cellerne i forskellige orienteringer. I det væsentlige, de ender i et mønster, der har det laveste energiniveau.

"Selvom dette er velkendt, " forklarer Noriaki Ogawa, avisens første forfatter, "der er et uforklarligt problem. Det viser sig, at der er to mønstre med det samme laveste energiniveau, den ene parallel med væksten af ​​nethinden og den anden vinkelret på den, så de simpelthen er det samme mønster, men roteret 90 grader. I rigtige fisk, imidlertid, kun et af de to mønstre findes faktisk."

Forfatterne indså, at der må være en eller anden mekanisme, der fører til det mønster. De fandt ud af, at selvom de to mønstre er ækvivalente, hvis man ser på dem ved hjælp af en statisk model, det var de ikke i dynamiske omgivelser. Ved hjælp af en matematisk model, dynamisk mønstervalg, de opdagede, at små fejl, der opstår i mønsteret, kan forstyrre det og få det til at omarrangere sig selv på en måde, der altid fører til det mønster, der findes i rigtige fisk.

"Dette er et vigtigt fund, " forklarer Ogawa, "fordi dette kan have konsekvenser for udviklingen af ​​andre strukturer i mange organismer." "Der er meget arbejde at gøre for fuldt ud at forklare situationen, " fortsætter han. "Vi ved, at der er andre mekanismer, nemlig koncentrationsgradienter af kemikalier, kendt som morfogen, der styrer udviklingsprocessen, og cellernes polaritet. For fuldt ud at forstå, hvordan disse mønstre opstår i virkelige organismer, vi skal også forstå forholdet mellem disse mekanismer, og også eksperimentelt at bestemme den faktiske adhæsionsstyrke mellem celler og andre parametre."