精子尾部移动的方式可以用艾伦图灵提出的数学来解释

艾伦·图灵最出名的可能是他在第二次世界大战期间帮助破解德国“恩尼格玛”通信密码的工作。但他还提出了一种理论，即通过化合物扩散(扩散)并相互反应就可以形成图案。这被称为图案形成的反应扩散理论。

博士我和学生詹姆斯·卡斯最近在《自然通讯》上发表了一项研究，揭示了精子的尾部(称为鞭毛)在移动时会产生模式，并且这些模式可以用图灵的理论来描述。

通过化学相互作用形成的图案创造出各种各样的形状和颜色，例如螺旋、条纹和斑点。它们在自然界中随处可见，据信它们存在于斑马和豹子的动物斑纹、向日葵头的种子轮以及海滩沙子形成的图案后面。

图灵的理论可以应用于科学的各个领域，从生物学、机器人学到天体物理学。

我们想探索这些化学模式与精子尾部如何移动之间是否存在数学联系。如果存在，则可能表明大自然使用类似的模板来创建微小尺度的运动模式。

尾巴的故事

精子鞭毛运动的数学原理非常复杂。鞭毛使用分子级“马达”来有效地改变形状。它们以一种形式使用能量并将其转化为机械功，产生运动。这些马达为存在于称为轴丝的束中的微小纤维提供动力。这些是美丽的、几何形状的、细长的结构，在人类精子中可长达0.05毫米，大约是人类头发宽度的一半。

轴丝非常灵活，这意味着微米级的波可以沿着它传播。它是鞭毛的活性核心，负责推动精子细胞前进。他们甚至可以感知周围的环境。

游泳运动是被动部件(例如轴丝及其弹性连接器部件、主动部件(分子马达)和周围流体)之间复杂相互作用的结果。

精子行进的流体环境会产生阻力，抵抗鞭毛的运动。为了使精子能够移动，多种、部分拮抗的因素需要达到平衡，鞭毛的波动推动精子前进。

动画反应扩散模式。

我们的部分灵感来自于科学发现，这些发现表明周围的液体对精子鞭毛运动几乎没有影响。为了研究这一点，我们在计算机中创建了精子鞭毛的数字“双胞胎”。

这个双胞胎是计算机中的一个表示，其行为方式应该与真实事物非常相似。这项复杂的任务是由博学实验室的JamesF.Cass完成的。

这使我们能够确定周围液体对尾巴运动的影响程度。我们发现水生物种所适应的低粘度(水状)液体对鞭毛的形状影响很小。

通过数学建模、模拟和模型拟合的结合，我们发现精子尾部的波动是自发产生的，不受水环境的影响。这意味着鞭毛具有万无一失的机制，可以在低粘度液体中游泳。

从数学上讲，这种自发运动相当于图灵的反应扩散系统中模式产生的方式，该系统最初是针对化学模式提出的。化学模式和运动模式之间的相似性是惊人且出乎意料的。

通常，我们不会认为化学模式与运动模式(或收缩模式)的工作方式相同，也不期望数学是相似的。但现在我们知道情况确实如此，我们认为运动模式可能只需要两个简单的成分。第一个是驱动分子马达的化学反应，第二个是弹性鞭毛的弯曲运动。周围的流体对水生环境几乎没有影响。

精子鞭毛上的分子马达产生“剪切”力，使尾巴弯曲。如果弹性杆弯曲并释放，杆最终将伸直，直到达到直线平衡。换句话说，弯曲沿着结构“扩散”，就像染料在流体中扩散一样，直到达到稀释的平衡水平(称为平衡)。这让人回想起图灵的数学。

这些发现将来可能会用于更好地了解与鞭毛异常运动相关的生育问题。这背后的数学也可以用于新的机器人应用，包括人造肌肉和所谓的动画材料——看起来“有生命”的材料，根据使用方式改变它们的反应。

描述精子尾部如何移动的数学原理也适用于纤毛。这些是在许多类型的生物细胞上发现的线状突起，它们沿着表面推动液体。研究它们的运动可以帮助我们更好地了解纤毛病，即人体内无效的纤毛引起的疾病。

然而，我们需要保持谨慎。数学是检验自然完美作品的不完美工具。尽管这使我们更接近于用数学方法解码鞭毛和纤毛的自发运动，但所提出的动画反应扩散理论过于简单，无法完全捕捉所有的复杂性。不同的团队研究了图灵的模式形成理论是否适用于其他生物系统，但发现缺乏证据。

同样，其他数学模型可能同样适合甚至更好地适合实验。正如英国统计学家乔治·博克斯曾经正确地说的那样：“所有模型都是错误的，但有些模型是有用的。”我们希望我们发现的模式能为科学界提供有用的见解。