数学者は線虫の三次元運動をモデル化しました

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数学者は線虫の三次元運動をモデル化しました
数学者は線虫の三次元運動をモデル化しました
Anonim
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アメリカの科学者たちは、線虫の3次元の動きを説明するための数学的モデルを開発しました。提案されたモデルを使用して、たとえば水泳中などのボリュームでのワームの動きの特徴を定量的に説明し、このタイプの動きの主な際立った特徴が次の理由による方向の周期的な変化であることを示すことができました。科学者たちは、体の軸を中心に急激に回転し、全米科学アカデミーの議事録に書いています。

Caenorhabditis elegans種の線虫は、ゲノムが完全に配列決定され、神経接続の完全なマップが構築された最初の多細胞生物です。したがって、この回虫は、遺伝学および神経生物学的プロセスの研究におけるモデルオブジェクトとしてよく使用されます。たとえば、線虫の動きを研究することにより、筋肉がニューロンによってどのように制御されているか、そしてこのプロセスが遺伝子変異、特定の化学物質、または環境的特徴によってどのように影響を受けるかを詳細に研究することができます。線虫は空間をうごめくように動き、その動きは表面と壁に制限されない液体の両方、つまり3次元で発生します。

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線虫Caenorhabditiselegansを表面上で動かす

しかし、実験室の条件では線虫は通常平らなゲル表面に位置するという事実のために、その二次元の這うものだけが今まで十分に研究され続けてきました。同時に、ワームの3次元の動き、特にボリューム内での自由な浮遊は、定量的に調査されていません。

このギャップを埋めるために、テキサス工科大学のJerzy Blawzdziewiczが率いるアメリカの数学者のグループは、線虫Caenorhabditis elegansの3次元の動きを説明する数学モデルを提案しました。これは、宇宙での動き。平面運動として、線虫の三次元運動は、体が空間をうごめくように前方に動くループ状の体の動きによって実行されます。ただし、ボリュームのワームの動きは、2つの特徴的な機能によって特徴付けられます。まず、ループの長さは、ワームの全身の長さに比べて長くなります。つまり、クロール中に体がほぼ常にその長さに沿って2回曲がる場合、水泳中に線虫の全身は通常のみ曲がります。一度。第二に、三次元の動きは、動きが発生する軸の周りの体の回転による、ボリューム内の動きの方向の急激な変化によって特徴付けられます。

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表面を這いながら線虫の身もだえする体

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大量に泳ぎながら線虫の身もだえする体

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大量に泳ぎながら線虫の身もだえする体

実際、線虫の3次元の動きは、体が平面内でうごめくという別々の段階で構成されていますが、空間内での体の回転により、定期的にこれらの段階が置き換えられます。線虫が周囲の空間の体積を探索することを可能にするのは、空間内の体の背腹面の向きが変化するこれらのターンです。

数学的には、1つの位相内の動きは、振幅、位相、波長の3つのパラメーターによって特徴付けられる調和波の動きとして説明でき、反転はねじれ回転として説明されます(2次元回転の説明とは大きく異なります。平面内の調和運動のパラメータの変化によって記述されます)。方向の変化は、線虫の3次元の動きの間に非常に頻繁に発生します。つまり、体を数回ひねるごとに約1回転します。

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線虫の体積運動の3次元モデル

科学者によると、このタイプの動きは、少なくとも2つのタイプの線虫の動きの特徴です:水泳時または穴掘り時。もちろん、これら2種類の運動は速度が異なりますが、これらの違いは定量的であり、媒体の抵抗を特徴付けるパラメータによってのみ決定されます。

研究の著者は、線虫の体の筋肉と運動ニューロンのシステムは完全に対称的であり、ワームの体の小さな前部だけが三次元の動きをすることができると以前は信じられていたと述べています。しかし、数学者によって得られた結果は、線虫の全身が三次元の動きに関与していることを示しています。科学者たちは、彼らが得た数学的モデルにより、運動ニューロンと線虫の筋肉との間の神経接続のメカニズムのより詳細な研究が可能になり、線虫が三次元空間で動くことを可能にすることに注目しています。

科学者は、数学モデルを使用して、個々の生物のさまざまな種類の動きを説明したり、それらの集合的なダイナミクスを研究したりすることがよくあります。たとえば、日本の科学者は最近、外的要因、特に風向を考慮して渡り鳥のナビゲーションを研究するのに役立つモデルを開発しました。また、別の研究者グループは、統計モデルを使用して、アリが食物を求めて地域を探索するときにたどる集合的なルートを説明しました。

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