1952 년 발달 생물 학자들이 hox 의 관점에서 연설하기 전에 Alan Turing은 유전자 및 전사 인자 또는 DNA의 구조조차도 아이디어를 가지고있었습니다. 수수께끼를 깨뜨려 2 차 세계 대전의 종말을 서두르는 유명한 수학자는 그의 마음을 자연 세계로 바꾸고 패턴 형성의 우아한 수학적 모델을 고안했습니다. 그의 이론은 두 가지 단순하고 가상의 화학 물질 또는 "모르고겐"의 상호 작용에서 끝없는 종류의 줄무늬, 반점 및 스케일이 어떻게 나타날 수 있는지에 대해 설명했다.
.생물 학자 들이이 수학적 이론이 실제로 무수한 생물학적 패턴을 설명 할 수 있다고 진지하게 생각하기 전에 수십 년이 지났다. 포유류 머리카락의 발달, 새의 깃털, 심지어 입 지붕에있는 융기 부분은 모두 튜링과 같은 메커니즘에서 비롯됩니다.
이제 상어의 피부를 덮는 치아 모양의 덩어리 인 덴티클을 목록에 추가 할 수 있습니다. 플로리다 대학교 (University of Florida)의 연구원들은 최근 상어 덴티클이 깃털 패턴 형성을 담당하는 동일한 유전자에 의해 지시 된 튜링과 같은 메커니즘에 의해 배치된다는 것을 발견했습니다. 이 연구를 이끌었던 연구원 인 Gareth Fraser에 따르면,이 연구는 다양한 백본 종의 배아가 같은 방식으로 조직의 외부 층에 특징 패턴을 내려 놓았 음을 시사한다.
하버드 발달 생물 학자 인 알렉산더 쉬어 (Alexander Schier)는“이 작품의 아름다움은 상어 덴티클에서 새 깃털에 이르기 까지이 메커니즘의 강력한 보존이있을 수 있음을 보여줍니다. 이 연구는 발달 생물학에서 점점 커지는 주제를 강화시킨다.
반응 확산 메커니즘이라고하는 튜링의 모델은 아름답게 간단합니다. 물에 떨어진 잉크와 같은 조직을 통해 확산되는 활성화 제 및 억제제 인 2 개의 상호 작용 제만 필요합니다. 활성기는 자리의 형성과 같은 일부 과정을 시작하고 그 자체의 생산을 촉진합니다. 억제제는 두 행동을 중단시킨다. 비판적으로, 억제제는 활성화 제보다 조직을 통해 더 빨리 퍼집니다. 억제제 의이 빠른 확산은 활성화의 주머니가 쏟아지는 것을 방지합니다. 활성화 제와 억제제가 방출되는시기와 위치에 따라 활성화의 주머니는 정기적으로 간격을 두는 점, 줄무늬 또는 기타 패턴으로 자신을 배열합니다.
호주의 Curtin University의 발달 생물 학자 인 Catherine Boisvert는이 활성화-억제 시스템이 강력한 발달 주제라고 설명합니다. 그녀는 깃털이나 덴티클과 같은 완전히 형성된 구조를 만들려고한다면“과밀 할 수 없다”고 말했다. "그 사이에 간격이 없으면 뚜렷한 실체를 얻지 못할 것입니다."
Schier에 따르면 Turing의 모델은 발달 생물 학자를 흥분시킵니다.“단순성에도 불구하고 다양한 패턴을 설명 할 수 있습니다.” 그러나 실제로, 본질적으로 패터닝의 사례는 거의 튜링과 같은 메커니즘에 고정되지 않았습니다.
그러한 두 가지 사례는 마우스의 모낭의 위치를 설정하는 패턴과 병아리의 깃털입니다. 발달중인 병아리에서, 프로토 깃털은 순차적으로 팝업되어 병아리의 등쪽 아래에 한 번의 직선을 형성합니다. 그 초기 행은 배아가 덮을 때까지 배아의 측면을 계단식으로하는 평행 행의 생성을 자극합니다. 비판적으로, 연구자들은 활성화 제와 억제제 역할을 수행하는 분자를 알고 있으며, 그 과정이 튜링과 비슷하다는 것을 확인합니다.
프레이저 랩 (Fraser Lab)의 대학원생 인 로리 쿠퍼 (Rory Cooper)는 상어 덴티클이 비슷하게 발달하는 것처럼 보였다. 그러나 상어와 그들의 사촌들은 스케이트와 광선이 4 억 5 천만 년 전에 척추 동물의 나머지 부분에서 나뉘었다.
쿠퍼는“그들은 생명 나무의 매우 흥미로운 곳에 앉아있다”고 말했다. 포유류가 자라기 전에 수억 년이 걸렸고 새들이 깃털이 튀어 나온 깃털이 튀어 나와 있는데, 상어는 갑옷처럼 피부를 덮는 덴티클“비늘”을 가졌습니다. (그들은 모든 종류의 피부 부속물을 가진 가장 오래된 살아있는 척추 동물 계통입니다.) 치아의 패턴, 형태 및 기능은 다양합니다. 두껍게 겹치는 덴티클은 추가적인 보호 기능을 제공하는 반면, 더 희박하고 매끄러운 패턴은 Nimbler 상어의 드래그를 줄입니다. 일부 상어 종에서는 치아가 의사 소통을 돕는 생물 발광 박테리아를 수용합니다. 그러나 약간의 차이에도 불구하고, 치아, 모발 및 깃털 사이의 발달 패터닝 유사성은 부인할 수 없습니다.
상어 덴티클 패터닝이 원칙적으로 튜링과 같은 메커니즘에서 발생할 수 있음을 입증하기 위해, 프레이저의 동료들은 활성화 제와 억제제 상호 작용의 수학적 모델을 구축했습니다. 그들은 모델이 상어 피부를 개발하는 패턴과 일치하는 패턴을 생성 할 때까지 두 모르고겐의 확산, 생산 및 분해 속도를 땜질했습니다. 쿠퍼는“이 모델은 이론적으로 튜링과 같은 메커니즘이 상어에서 패턴 형성을 설명 할 수 있다고 말했다.
덴티클 발달의 분자 토대는 깃털과 마찬가지로 알려지지 않았다. 그러나 발달의 유사성을 감안할 때, 병아리 유전자는 시작하기에 좋은 곳이었습니다. Cooper가 조직에서 유전자 발현을 조명 할 수있는 기술 인 쿠퍼는 병아리와 상어 모두에서 패턴 형성 동안 동일한 유전자가 빛을 발하는 것을 보았다. 쿠퍼는“[덴티클]이 튀어 나올 때 표현 될뿐만 아니라 실제로 동일한 조직 층으로 발현되어 매우 강력한 보존이라고 쿠퍼는 말했다.
유사한 과정에서 유사한 유전자 발현을 입증하는 것은 좋은 첫 단계이지만 발달 생물학에서의 골드 표준은 녹다운 실험입니다. 유전자의 발현을 줄이거 나 없애고 패턴이 사라지면 유전자가 패턴 생산에 중요한 역할을해야합니다. 이를 위해 Cooper는 Chick Feather Activator를 억제하는 화학 물질로 작은 구슬을 적재했습니다. 그런 다음 상어 배아의 프로토 펜티클과 함께 구슬을 이식하고 상어가 자라면서 지켜 보았습니다.
결과는 명확했습니다. 조류에서 활성화 제 유전자의 발현을 억제하도록 설계된 구슬은 수억 년의 진화에 도달하여 상어에서 동일한 효과를 발휘할 수있었습니다. 쿠퍼는 활성화 제 유전자 발현이 비드 옆에 급락하여 치열이없는 평평한 "죽은 영역"을 형성한다는 것을 발견했다.
Schier는“이러한 조작의 결과는이 메커니즘이 깊이 보존된다는 매우 강력한 사례를 만듭니다.
튜링과 같은 메커니즘이 다른 상어와 친족에서 볼 수있는 광범위한 덴티클 패턴을 만들 수 있는지 여부를 테스트하기 위해 연구자들은 모델에서 활성화 제 및 억제제의 생산, 저하 및 확산 속도를 조정했습니다. 그들은 비교적 간단한 변화 가이 계보에서 볼 수있는 다양성의 많은 부분과 일치하는 패턴을 생성 할 수 있음을 발견했습니다. 예를 들어, 스케이트는 더 드물게 패턴 화 된 덴티클을 갖는 경향이 있습니다. 확산 속도를 증가 시키거나 억제제의 분해 속도를 감소시킴으로써 연구원들은 더 많은 희소 패턴이 나타날 수 있습니다.
초기 패턴이 설정되면, 다른 비 동결 메커니즘은이 행을 완전히 형성된 치아, 깃털 또는 기타 상피 부속물로 변환하는 것을 완료합니다. Boisvert는“이 부속물의 발전에 초기에 작용하는이 깊은 보존 된 마스터 레귤레이터 메커니즘을 가지고있다”고 말했다. 그럼에도 불구하고 Boisvert는 많은 다른 생물학적 패턴의 기초가되는 메커니즘이“분자 생물학에 관한 것이 거의 이해되지 않은시기에 생물학적 훈련이없는 수학자에 의해 이론화되었다”고 강조했다.
.튜링 메커니즘은 이론적으로 패턴을 구축하는 유일한 방법은 아니지만 자연은 그것들을 선호하는 것 같습니다. 프레이저에 따르면, 많은 유기체 그룹에 의한이 메커니즘에 대한 의존은 어떤 종류의 제약이 작동 중일 수 있음을 시사한다. "무언가를 패턴 할 수있는 방법이 많지 않을 수 있습니다." 일단 시스템이 등장하면, 특히 튜링 메커니즘만큼 단순하고 강력한 시스템이 나면 자연은 그와 함께 실행되며 되돌아 보지 않습니다.
Fraser는“전반적으로 생물학적 다양성은 효과가있는 것으로 보이며 진화에서 반복해서 재사용하는 상당히 제한된 원칙을 기반으로합니다. 자연은 모든 무성한 독창성에서 우리가 생각했던 것보다 더 보수적 일 수 있습니다.
이 기사는 Investigacionyciencia.es 에서 스페인어로 재 인쇄되었습니다 .
