1952 년, 코드 위반 및 인공 지능에 관한 그의 작품으로 가장 잘 알려진 영국 수학자 인 Alan Turing은 동성애 행위에 참여한 것으로 유죄 판결을 받았으며 화학 거세를 선고 받았다. 그 개인적인 드라마 가운데, 그는 여전히 정기적으로 반복되는 패턴의 수학에 대한 비전 논문을 출판 할 시간을 발견했는데, 이는 자연에서 반복되는 패턴의 수학에 대한 호랑이와 얼룩말 물고기의 줄무늬, 표범의 지점, 악어 이빨의 간격에 적용될 수 있습니다.
.이제 60 년이 지난 후, 생물 학자들은 튜링이 자신의 논문에서 제안한 패터닝 메커니즘의 증거를 밝혀 내고, 유전자가 궁극적으로 어떻게 손을 내밀 었는지와 같은 발달 질문을 밝힐 가능성이 있습니다. King 's College London의 발달 생물학자인 Jeremy Green은“그 구조가 있습니다. "우리는 생물학을 얻기 위해 수학에 화학을 넣어야합니다."
.그의 1952 년 논문으로 이어진 작업으로 Turing은 자연적인 패턴을 생성하는 기본 메커니즘을 이해하고 싶었습니다. 그는 상자의 가스 원자와 매우 유사한 시스템 전체에 퍼져있는 두 화학 물질 사이의 상호 작용의 결과로 반점과 같은 패턴이 형성되었다고 제안했다. 가스처럼 균등하게 확산되는 대신, 튜링은“모퍼겐”이라고 불리는 화학 물질은 다른 속도로 확산됩니다. 하나는 호랑이의 스트라이프와 같은 독특한 특성을 표현하는 활성화 제 역할을하며 다른 하나는 억제제 역할을하며, 활성화 제의 표현을 종료하기 위해 주기적으로 차는 억제제 역할을합니다.
.Turing의 아이디어를 설명하기 위해 옥스포드 대학교의 수학 생물학 명예 교수이자 프린스턴의 응용 수학자 인 제임스 머레이 (James Murray)는 메뚜기로 점유 된 마른 잔디밭을 상상했습니다. Murray는 잔디가 몇 가지 임의의 지점에서 불에 타서 불꽃을 억제하기 위해 수분이 없으면 화재가 전체 들판을 차단할 것이라고 말했다. 그러나이 시나리오가 튜링 메커니즘처럼 재생된다면, 침해 불꽃의 열로 인해 도망가는 메뚜기 중 일부가 땀을 흘려 주위의 잔디를 약화시켜 불에 타지 않은 분야에서 주기적으로 미혼 반점을 만들 수 있습니다.
.그 개념은 흥미롭지 만 투기 적이었다. 튜링은 그의 논문을 출판 한 지 2 년 후에 사망했으며, 수십 년 동안 상대적으로 모호한 것으로 나타났습니다. Murray는“그는 실제로 실제 생물학적 문제에 적용하지 않았습니다. "주로 분석 문제를 찾는 수학자들에게는 이익이었습니다."
1970 년대에는 튜링 메커니즘을 사용하여 반점과 줄무늬와 같은 패턴을 성공적으로 재현 한 이론적 작업과 컴퓨터 모델링이 폭발적으로 발생했지만, 분자 생물학은 연구자들이 활성화 제 및 억제제로 작용하는 특정 분자를 식별 할 수있는 시점 근처에 없었습니다.
.최신 연구에 따르면 튜링 형 메커니즘은 생쥐의 모낭과 새의 피부의 깃털 새싹 사이의 간격, 마우스의 구개에 형성되는 융기 부분, 마우스의 발에 숫자가 있습니다.
.일부 생물 학자들은 튜링 메커니즘이 이러한 주기적 패턴을 설명하기에 충분하다는 것에 회의적입니다. 특히 University College London의 명예 발달 생물학자인 Lewis Wolpert가 제안한 다른 실행 가능한 모델이 있기 때문입니다. Wolpert의 모델에서, 세포는 각 모르겐의 양에 따라 공간에서의 위치를 해석하여 줄무늬, 반점 또는 숫자를 초래합니다. 또한 Wolpert는 다음과 같이 말했습니다 :“아무도 아직 개발중인 튜링 메커니즘에 효과가있는 분자를 확인한 사람은 아무도 없습니다.”
.실험적 식별의 부족은 튜링 옹호자들에게 가장 심각한 걸림돌이되었지만 변화가 시작되었습니다. 작년에 Green과 그의 동료들은 활성화 제 및 억제제로 작동하는 두 가지 화학 물질을 확인하여 마우스 배아에서 입의 지붕에서 발견되는 정기적으로 간격을 두었습니다. 섬유 아세포 성장 인자 (FGF)라는 단백질은 활성화 제로 작용하고 Sonic Hedgehog ( shh 라는 유전자 변이체로서 작용한다. ) 억제제 역할을합니다. 연구원들이 그 화학 물질의 활동을 증가 시키거나 감소 시켰을 때, 융기의 방정식이 예측 한 것처럼 융기 패턴이 영향을 받았습니다.
생물학은 혼란스럽고 복잡하며 많은 혼란스러운 요인으로 인해 패턴이 튜링 메커니즘으로부터 발생한다는 것을 실험적으로 입증하기가 어렵습니다. 따라서 Green과 그의 코호트는 융기 부분 중 하나를 제거하여 능선 사이의 공간이 증가했습니다. 튜링 메커니즘이 없다면 교체 능선이 형성되었을 것입니다. 대신, 연구원들은 튜링 모델의 특징 인 공간을 채우기 위해 여분의 릿지가 분기 패턴으로 나타나는 것을 보았습니다.
여러 시스템에 적용 할 수있는 튜링 메커니즘은 거의 일반적입니다. 연구원들은 프레데터-프리 모델과 같은 생태 시스템에서 종의 분포에서 튜링과 같은 특징을 확인했다. 예 :포식자-프리 모델과 같은 먹이는 활성화 제로 기능하며, 포식자는 억제제 역할을하는 동안 수치를 재생산하고 증가 시키려고 노력하여 인구를 확인했다. 뉴런도 뇌의 다른 근처 뉴런의 발사를 장려하거나 약화시키는 활성화 제 또는 억제제로 수학적으로 설명 할 수 있습니다.
.Green은“활성화 자 및 억제제 역할을하는 두 가지 프로세스가 있다면 항상 정기적 인 패턴을 얻을 수 있습니다. “직장에는 분명히 확산되는 모르소겐이 없습니다. 프로세스에 확산 기능을 사용하여 표현할 수있는 속성이 있습니다.”
튜링은 그의 원래 논문에서 다음과 같이 인정했다.“이 모델은 단순화와 이상화, 결과적으로 위조가 될 것입니다. 이것이 반드시 모델이 잘못되었음을 의미하는 것은 아니지만, 튜링 메커니즘을 따르는 것으로 보이는 시스템의 동작을 식별하는 것이 활성화 제 및 억제제 역할을하는 특정 물리적 프로세스를 식별하는 데 어려움을 겪는 것은 어려운 일입니다. 예를 들어, 얼룩말 물고기 줄무늬를 사용한 실험은 튜링 메커니즘에서 발생하지만 시스템 전체에 퍼지는 화학 물질을 분비하는 대신에, 물고기는 활성화 제 및 억제제와 동일한 목적을 달성하는 두 가지 종류의 세포를 가지고 있습니다. 활성화 제/억제제 역할을 수행 할 가능성이 가장 높은 분자는 분비되지 않은 세포막에만 내장 될 수있다. 따라서 메커니즘이 작동하려면 셀이 서로 접촉해야합니다.
물론 튜링 모델에는 단점이 있습니다. 튜링 메커니즘만으로는 자연 패턴의 스케일링을 설명 할 수 없습니다. 닭고기 계란은 스케일링의 좋은 예입니다. 크고 작거나 그 사이에있을 수 있지만 수정 된 계란의 크기에 관계없이 부화하면 제품은 결정적인 부품이 아닌 완전한 병아리가됩니다. "Turing이 대답하지 못하는 질문은 다음과 같습니다. 스케일링 프로세스를 어떻게 얻습니까?" 그린이 말했다.
대답은 마우스 배아 발에 숫자를 형성하는 새로운 논문에있을 수 있습니다. 스페인 칸타 비리아 대학교의 공동 저자 인 마리아 A. 로스 (Maria A. Ros)에 따르면 스페인 연구위원회 (Spanish Research Council)에 따르면,이 연구는 폴리 락 틸리즘을 탐구하는 것을 목표로했다.
숫자 패터닝은 줄무늬와 유사합니다. 그러나 손가락이 줄무늬 패턴으로 팬이 튀어 나오지만 손가락 사이의 거리는 (파장, 원한다면) 너클 사이의 거리는 다릅니다. 패턴은 비례 적으로 비늘입니다. 그 줄무늬가 튜링 메커니즘에서 발생한다면, 다른 것이 스케일링에 영향을 미쳐야합니다.
몇몇 유전자는 폴리 락틸리즘, 특히 gli3 라는 유전자와 관련이있다. 그것은 shh 에 의해 조절된다 . 초기 연구 및 shh 마우스 배아에서 hox 로 알려진 유전자의 종류가 증가 할 것입니다. 손가락과 발가락의 수를 포함하여 신체 구조의 적절한 발달에 필수적인 유전자.
마우스는 39i hox를 갖는다 4 개의 별개의 클러스터의 유전자. ROS는 More hox 라는 가설을 테스트하기로 결정했습니다 유전자는 점차적으로 hox를 노크함으로써 더 많은 자릿수를 초래했습니다. 변형. 그녀는 숫자의 수가 더 많이 감소 할 것으로 예상했다. 유전자가 제거되었다. 대신, 그 반대가 일어났다 :더 많은 hox 유전자가 제거되고, 한 경우에 더 많은 여분의 숫자가 나타났습니다.
그리고 여분의 숫자는 더 얇고 더 가깝습니다. 그들은 분기 패턴으로 나뉘 었습니다. 그의 실험에서 마우스 미각의 융기 부분에서 관찰 된 동일한 패턴 녹색. 바르셀로나의 게놈 규제 센터의 시스템 생물 학자이자 ROS의 공동 저자 중 한 명인 제임스 샤프 (James Sharpe)는 자신의 컴퓨터 모델에 숫자의 두께와 간격에 대한 실험 데이터를 공급했을 때 튜링 메커니즘을 통해 효과를 재현 할 수있었습니다.
.숫자 패턴 화 작업에는 작업에 두 가지 프로세스가 있음이 밝혀졌습니다. 스트라이프와 같은 패턴을 생성하는 튜링 메커니즘과 hox 를 통해 스케일링을 제어하기위한 두 번째 튜닝 메커니즘. 유전자. Sharpe는 그것들을 동일한 메커니즘의 다른 측면으로 보는 것을 선호합니다.
독립형 메커니즘이 아닌 다른 요인들과 함께 더 큰 생물학적 시스템의 맥락에서 튜링 모델을 특정 개발 역할을하는 것으로 간주하는 것이 가장 좋습니다. Green은“튜링 과정은 여러 모르고겐이 함께 작동하는 방식을 이해하는 데 퍼즐 조각입니다.
우리는 이미 유전자가 다른 유전자와 수많은 환경 요인과 상호 작용한다는 것을 알고 있습니다. Murray는“생물학적 발달을 실제로 이해하기 위해서는 유전자가 관찰 된 패턴을 생성하는 물리적 요소에 어떤 영향을 미치는지, 물론 실제 생물학적 요소가 무엇인지, 어떻게 서로 상호 작용하는지 알아야합니다. 그런 다음 이론적 모델링이 그 자리에 있습니다. "발달을 이해하기 위해 우리가 사용해야했던 것은 유전학이라면, 우리는 여전히 닭을 만드는 방법을 모를 것입니다."
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