Die Theorie von Codebreaker Turing erklärt, wie Haischuppen gemustert sind.

Ein System, das der Codebrecher Alan Turing vor mehr als 60 Jahren vorgeschlagen hat, kann nach neuen Erkenntnissen die Strukturierung von zahnförmigen Schuppen erklären, die von Haien besessen werden.

Wissenschaftler des Department of Animal and Plant Sciences der University of Sheffield fanden heraus, dass Turing’s Reaktion – Diffusionstheorie – weitestgehend als Mustermethode in Maushaaren und Hühnerfedern akzeptiert wird – auch für Haischuppen gilt.

Die Ergebnisse können erklären, wie sich das Muster der Haischuppen entwickelt hat, um den Luftwiderstand beim Schwimmen zu reduzieren und so Energie bei der Bewegung zu sparen. Wissenschaftler glauben, dass das Studium der Musterung dazu beitragen könnte, neue, von Haien inspirierte Materialien zu entwickeln, um die Energie- und Transporteffizienz zu verbessern.

Turing, der Vorläufer des Computers, entwickelte das Reaktions-Diffusionssystem, das 1952, zwei Jahre vor seinem Tod, veröffentlicht wurde. Seine Gleichungen beschreiben, wie molekulare Signale interagieren können, um komplexe Muster zu bilden.

In dem heute in der Zeitschrift Science Advances veröffentlichten Papier verglichen Forscher die Strukturierung von Haischuppen mit der von Hühnerfedern.

Sie fanden heraus, dass die gleichen Kerngene, die der Federzeichnung zugrunde liegen, auch der Entwicklung von Haischuppen zugrunde liegen, und deuteten darauf hin, dass diese Gene an der Strukturierung anderer verschiedener Wirbeltierhautstrukturen wie Stacheln und Zähnen beteiligt sein könnten.

Dr. Gareth Fraser, früher von der University of Sheffield und jetzt an der University of Florida, sagte: „Wir begannen, uns die Küken anzusehen und wie sie ihre Federn entwickeln. Wir fanden diese sehr schönen Linien der Genexpression in dem Muster, in dem diese Flecken erscheinen, die schließlich zu Federn werden. Wir dachten, vielleicht macht der Hai eine ähnliche Sache, und wir fanden zwei Reihen auf der Rückenfläche, die den ganzen Prozess starten.

„Wir haben uns mit einem Mathematiker zusammengetan, um herauszufinden, was das Muster ist und ob wir es modellieren können. Wir fanden heraus, dass die Dentikel der Haifischhaut präzise durch eine Reihe von Gleichungen gemustert werden, mit denen Alan Turing- der Mathematiker, Informatiker und der Codebrecher auftrat.

„Diese Gleichungen beschreiben, wie bestimmte Chemikalien während der Entwicklung von Tieren interagieren, und wir fanden heraus, dass diese Gleichungen die Strukturierung dieser Einheiten erklären.“

Die Forscher zeigten auch, wie das Optimieren der Eingaben des Turing-Systems zu unterschiedlichen Skalenmustern führen kann, die mit denen vergleichbar sind, die bei heute lebenden Hai- und Strahlarten zu beobachten sind.

Sie deuten darauf hin, dass natürliche Variationen des Turing-Systems die Entwicklung verschiedener Eigenschaften innerhalb dieser Tiere ermöglicht haben könnten, einschließlich der Bereitstellung von Widerstandsverminderung und defensiver Rüstung.

Rory Cooper, Doktorand an der University of Sheffield, sagte: „Haie gehören zu einer alten Wirbeltiergruppe, die lange von den meisten anderen Kieferwirbeln getrennt war. Die Untersuchung ihrer Entwicklung gibt uns eine Vorstellung davon, wie Hautstrukturen schon früh in der Evolution der Wirbeltiere ausgesehen haben könnten.

„Wir wollten mehr über die Entwicklungsprozesse erfahren, die steuern, wie diese unterschiedlichen Strukturen strukturiert sind, und damit über die Prozesse, die ihre verschiedenen Funktionen erleichtern.“

Wissenschaftler verwendeten eine Kombination von Techniken einschließlich der Modellierung der Reaktions-Diffusion, um eine Simulation basierend auf den Gleichungen von Turing zu erstellen, um zu zeigen, dass sein System das Muster der Haiskala erklären kann, wenn die Parameter entsprechend abgestimmt sind.

Herr Cooper fügte hinzu: „Wissenschaftler und Ingenieure versuchen seit vielen Jahren, von der Haifischhaut inspirierte Materialien zu entwickeln, um den Luftwiderstand zu reduzieren und die Effizienz während der Fortbewegung von Menschen und Fahrzeugen zu erhöhen.

„Unsere Ergebnisse helfen uns zu verstehen, wie Haischuppen strukturiert sind, was für ihre Funktion bei der Widerstandsminderung unerlässlich ist.

Daher hilft uns diese Forschung zu verstehen, wie diese schleppreduzierenden Eigenschaften zuerst bei Haien entstanden sind und wie sie zwischen verschiedenen Arten wechseln.“

Die Musterung ist ein wichtiger Aspekt, der dazu beiträgt, den Luftwiderstand bei bestimmten Haiarten zu reduzieren. Ein weiterer ist die Form der einzelnen Skalen. Die Forscher wollen nun die Entwicklungsprozesse untersuchen, die der Formvariation innerhalb und zwischen verschiedenen Haiarten zugrunde liegen.

„Das Verständnis, wie beide Faktoren zur Verringerung des Luftwiderstands beitragen, wird hoffentlich zur Herstellung verbesserter, breit einsetzbarer, von Haien inspirierter Materialien führen, die in der Lage sind, den Luftwiderstand zu verringern und Energie zu sparen“, fügte Herr Cooper hinzu.

Mehr Informationen:
R.L. Cooper el al., „Ein alter Turing-ähnlicher Musterungsmechanismus reguliert die Entwicklung der Hautdentikel bei Haien“, Science Advances (2018). DOI: 10.1126/sciadv.aau5484, advances.sciencemag.org/content/4/11/eaau5484

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