文摘
当你想到鱼,你的脑海里会出现什么?也许你认为的宠物金鱼,电影人物如平底小渔船或Nemo,或在当地的一条河鳟鱼。的一件事,所有这些鱼的共同点是他们的皮肤中的模式。尼莫运动黑白条纹橘皮,和鳟鱼有斑点。金鱼有相关—但却是反向相关只是纯黄金(无聊)。为什么有些鱼有条纹,其他地方,和其他普通模式吗?事实证明,这是一个棘手的问题,因此,科学家们需要工具从几个主题来回答它。在本文中,我们使用生物学、数学、计算机编码,帮助找出鱼皮肤得到不同的模式。
鱼模式是什么做的?
许多种类的动物皮肤模式。斑马有条纹和豹子斑点,但鱼显示各种模式的条纹,斑点,迷宫,普通模式(图1)[1]。斑马鱼(图1 g)是适合做实验,所以很多科学家最喜欢斑马鱼(2,3]。正如你所猜测的“斑马”一词在他们的名字,斑马鱼通常有条纹。
- 图1 -鱼皮肤有各种各样的有趣的模式。
- (一)白色和橙色条纹;(B)紫色和黑色条纹;(C)迷宫模式;(D, E)斑点;(F)平原;(G)斑马鱼。他们的模式是由色素细胞。(图片学分:(一)从萨利·等。4从约翰·威利& Sons)同意版权(2019)约翰·威利& Sons / S;(B)从铁等。2]CC BY-NC-ND下许可的(4.0);(C)从Frohnhofer et al。1](CC-BY 3.0);(D)从辛格et al。3与爱思唯尔的许可),版权(2015)爱思唯尔有限公司;(E)从Zouavman Le轻步兵(CC冲锋队)通过维基共享;(F)从Bjwebb在英文维基百科,公共领域,通过维基共享;(G)适应和结合Frohnhofer et al。1)(CC-BY 3.0)和俄勒冈州立大学(CC冲锋队)通过维基共享)。
当我们观察斑马鱼从很远的地方,我们看到黑色和黄色的条纹。如果我们把一个斑马鱼在显微镜下,然而,我们可以看到,这些模式是由微小的点,或色素细胞。色素细胞有各种型号和颜色和黑色大(称为载黑素细胞)和其他小和黄色(称为黄色素细胞)。还有其他颜色的色素细胞,甚至人类的皮肤色素细胞。
细胞按照规则创建的条纹
好的,所以鱼模式包含色素细胞。但什么是很酷的色素细胞实际上是他们的工作让我们看到的条纹鱼(5]!你可以看到一种模式作为一个斑马鱼日益增长在这里。你看到的黑色细胞移动的电影吗?也有黄色小细胞,但他们很难看到。
你能想到的每一个色素细胞在斑马鱼的皮肤就像一个人朝着一群。你可以移动在一个房间里挤满了人,和皮肤色素细胞可以移动。黑色和黄色色素细胞移动和行为以特定方式(或遵循规则)来创建模式。这些规则之一是黄色细胞遵循黑色细胞。这几乎是像他们玩标签,你!你可以看到一个黑色细胞主要的方式和一个黄色细胞后它电影(6]!疯了!
科学家研究鱼模式如何?
虽然有些规则的色素细胞如何在斑马鱼细胞(如黄色黑色细胞(6])是已知的,很多规则是一个谜。科学家们正在努力发现这些规则。细胞都很小,很难看到他们,抓住他们相互作用在皮肤上。斑马鱼也几个月增长(3),因此对他们的实验生物学家必须耐心。这就是数学和计算机编码进入画面。数学是所有关于模式、规则和谜题,它可以结合生物学帮助计算出细胞的行为7,8]。数学家和生物学家使用不同的工具来研究相同的问题。把他们的想法在一起使斑马鱼的神秘条纹容易解决。
尽管生物学家研究鱼类通过显微镜和做实验,数学家写下细胞如何行为规则(7,8]。这些规则和公式被称为一个数学模型——以数学方法描述东西的方法。重要的是要记住,一个模型是一个很好的猜测,但它可能是错误的。测试他们的规则,数学家使用计算机编码模拟鱼的模式。这就像越来越多的鱼在电脑上!模式模拟鱼的好处之一是,它只需要几分钟,不是几个月…但我们不建议尝试模拟鱼吃晚餐!:-)
建立一个数学模型,斑马鱼条纹
现在我们准备建立一个数学模型,斑马鱼模式!我们的第一步是描述鱼皮作为棋盘(图2)。每平方的棋盘可以是空的(白色),有一个黄色的细胞,或有一个黑色的细胞。模拟鱼的模式,我们需要告诉黑色和黄色细胞出现在棋盘上。换句话说,我们需要描述他们的行为规则。生物学家知道黑色细胞大多喜欢附近其他黑色细胞,和黄色细胞大多喜欢黄色。我们利用这一点来建立数学模型。
在图2棋盘中,每个细胞有4边(除非在一个角落或边缘)。我们的规则是“一方不同,其余一样。“这意味着,如果你把你的手指放在一个黄色的细胞,细胞,它触及到的应该是黑色的(不同的)和其他细胞应该是黄色(相同的)。练习这个规则,试着填写工作表表1(指令和答案是底部的表)。
- 表1 -确定接下来的选择的数学模型图2。
我们的模型只有一个规则,事实是,我们都是简化的方式实际上斑马鱼色素细胞的行为。但这是好的!当数学家做模型,使用简单的规则,然后他们开始建造更多的现实的人。帮助科学家了解简单的模型,我们的模型是第一步。如果你想看到更现实的模型,数学家正在现在,看看(8]。
我们的难题:模拟斑马鱼条纹
什么模式规则”一方不同,其余一样的“创建?你可以试试这个,建立一条鱼模式使用图3。打印此图,切出黑色和黄色的细胞,并遵循这些步骤:
- 步骤1:斑马鱼有黄色条纹,当他们年轻,所以先把两条黄色的细胞的顶部你鱼棋盘。
- 步骤2:填写其余的棋盘遵循规则”一方不同,其余一样的。”
首先填写广场上方的棋盘,慢慢地移动你的手指下鱼从左到右。模式形成什么?通过遵循这些步骤图3你手工做同样的步骤,电脑会做模拟鱼的模式。我们使用计算机编码创建鱼patterns-check我们网站模拟一条鱼你自己!1
- 图3——使用这个图像来创建一个鱼类生物学和数学模式相结合。
- 填写的棋盘鱼遵循步骤1和2。你完成后,再打印此页面。轮到你是数学家现在自己的规则来发现其他模式,您可以创建!你会如何改变第二步让金鱼吗?
鱼模式学习为什么重要呢?
鱼模式可能会很高兴,但为什么生物学家和数学家研究它们?答案与突变模式,医学和人类。
如果色素细胞不遵循正常的规则?如果鱼有一个会发生这种情况突变在其基因(2,9]。结果图1 g并不是唯一一个斑马鱼的照片。信不信由你,图1 c,D还表明斑马鱼,但它们突变体!突变斑马鱼细胞有不同的模式,因为他们遵循不同的规则(图1 c,D)。鱼的基因指定这些规则,所以基因突变导致突变规则和突变模式。人类也有变异的基因,这有时会导致疾病。斑马鱼和人类不可能看起来很相像,但他们实际上有很多类似的基因。这就是为什么研究斑马鱼细胞遵循重要如果我们可以找出规则创建正常和突变模式鱼,我们可以更好地了解正常的人类细胞的和不健康的行为,。
现在你是应用数学家!
科学家们正在努力发现黑色和黄色细胞如何表现在正常斑马鱼,并找出这些细胞改变他们的行为变异鱼(2,9]。对于研究斑马鱼的数学家来说,他们的工作是思考鱼模式(如条纹),然后发现的规则可以创建模式(7,8]。这是一个谜。你会如何改变规则”一方不同,其余相同的“创建一个纯黄色的鱼?什么规则和起点创造斜条纹?通过研究这些问题,您自己承担的角色是数学家!鱼与数学模式可以创建什么?
术语表
色素细胞:↑细胞是小单位,所有的生物都是由(我们的细胞,所以是鱼的皮肤)。色素细胞特殊的细胞含有色素(颜色)。
数学模型:↑规则或方程描述数学的方式的东西。摘要规则”一方不同,其余一样”是我们数学模型的一部分。
模拟:↑在电脑上模拟一个真实的系统。在我们的网站上你可以模拟鱼模式与计算机编码和数学模型,为计算机提供的方向:https://simulatingzebrafish.gitlab.io/zebrafish-outreach/。
突变:↑改变动物的基因从正常设置到别的东西。斑马鱼通常有条纹(图1 g),但是突变斑马鱼(图1 c,D)迷宫或现货模式。
基因:↑生物指示动物会从父母指定的特性(如条纹或斑点模式鱼,或绿色或棕色眼睛的人)。
确认
AV一直在支持部分由美国国家科学基金会批准号dms - 1764421和西蒙斯基金会/ SFARI下批准号597491 - rwc。我们感谢Jithin乔治,凯特琳欢乐Leisman,尼尔•摩根和萨沙Shirman本手稿有用的反馈,JavaScript和BS感谢萨沙提供建议。我们还要感谢Domenico Bullara和亚尼克·德·德克尔出版他们的JavaScript代码的一部分7),因为它有助于激发我们的网站开发的代码。
的利益冲突
作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。
额外的材料
https://simulatingzebrafish.gitlab.io/zebrafish-outreach/
脚注
1。↑当你完成你的模式时,你可能会注意到,细胞在棋盘的顶部和底部行不遵循规则”一方不同,其余一样。“没关系!鱼有一个身体末端的顶部和底部,和细胞有一点不同。
引用
[1]↑Frohnhofer, h·G。克劳斯,J。,Maischein, H. M., and Nüsslein-Volhard, C. 2013. Iridophores and their interactions with other chromatophores are required for stripe formation in zebrafish.发展。140:2997 - 3007。doi: 10.1242 / dev.096719
[2]↑铁,U。,and Nüsslein-Volhard, C. 2019. The identification of genes involved in the evolution of color patterns in fish.咕咕叫。当今。麝猫。Dev。57:31-8。doi: 10.1016 / j.gde.2019.07.002
[3]↑辛格,a P。,and Nüsslein-Volhard, C. 2015. Zebrafish stripes as a model for vertebrate colour pattern formation.咕咕叫。医学杂志。25日,R81-R92。doi: 10.1016 / j.cub.2014.11.013
[4]↑萨利·P。,Lorin, T., Lewis, V., Rey, C., Marcionetti, A., Escande, M. L., et al. 2019. Developmental and comparative transcriptomic identification of iridophore contribution to white barring in clownfish.色素细胞黑色素瘤Res。32:391 - 402。doi: 10.1111 / pcmr.12766
[5]↑山口,M。,Yoshimoto, E., and Kondo, S. 2007. Pattern regulation in the stripe of zebrafish suggests an underlying dynamic and autonomous mechanism.Proc。国家的。学会科学。美国。104:4790 - 93。doi: 10.1073 / pnas.0607790104
[6]↑Yamanaka H。,and Kondo, S. 2014.在体外分析表明,差异在直接相互作用可以产生各种色素细胞运动模式在活的有机体内。Proc。国家的。学会科学。美国。111:1867 - 72。doi: 10.1073 / pnas.1315416111
[7]↑Bullara D。,and De Decker, Y. 2015. Pigment cell movement is not required for generation of Turing patterns in zebrafish skin.Nat。Commun。6:6971。doi: 10.1038 / ncomms7971
[8]↑Volkening,。,and Sandstede, B. 2018. Iridophores as a source of robustness in zebrafish stripes and variability in鲐模式。Nat。Commun。9:3231。doi: 10.1038 / s41467 - 018 - 05629 - z
[9]↑帕特森,l . B。,and Parichy, D. M. 2019. Zebrafish pigment pattern formation: insights into the development and evolution of adult form.为基础。启麝猫。53:505-30。doi: 10.1146 / annurev -麝猫- 112618 - 043741