Математиката на живота: Учени са разработили математически модел на развитието на ембрионите

В ново изследване, публикувано в списание Proceedings of the National Academy of Sciences, учените Давид Брюкнер и Гаспер Ткачик от Института за наука и технологии на Австрия (ISTA) представиха математически модел, който анализира процеса на самоорганизация, характерен за развитието на бозайниците в ембрионален стадий.

Моделът предвижда оптималните параметри за този вид взаимодействие между клетките, което позволява този процес да бъде описан на универсален математически език.

Самоорганизацията е способността на една система да създава самостоятелно нови структури без външно влияние, което се наблюдава например при пасажите от риби или ятата от птици. По време на ембрионалното развитие клетките комуникират помежду си с помощта на химически сигнали, което им позволява да координират действията си и да определят функциите си в организма, независимо дали става въпрос за клетките на окото, които фиксират зрителните стимули, или за клетките на червата, които помагат за смилането на храната.

Чрез това взаимодействие процесът на развитие се синхронизира и координира, без да е необходим централизиран контрол. Всяка клетка реагира на сигналите на съседните си, което осигурява самоорганизация на колектива от клетки. По този начин от една оплодена яйцеклетка се развива многоклетъчен организъм.

Дейвид Брукнер, докторант в NOMIS и сътрудник на ISTA се интересува от теоретичното разбиране на процесите на самоорганизация. Изследванията му се фокусират върху ембрионалното развитие – сложен процес, управляван от генетиката и комуникацията между клетките. Въпреки наличието на непредсказуеми фактори, които физиците наричат „шум“, ембрионалните структури се формират надеждно и последователно.

Гаспер Ткачик, професор в ISTA е специализиран в изучаването на обработката на информация в биологичните системи. Той отбелязва, че теорията на информацията е универсален език за количествено определяне на структурата и закономерностите в статистическите ансамбли, които са съвкупности от повторения на един и същ процес.

Ембрионалното развитие може да се разглежда като такъв процес, който възпроизвежда функционални организми, които са много сходни, но не и идентични помежду си.

Нов математически модел измерва как клетъчните взаимодействия се оптимизират, за да издържат на „шума“. Използвайки компютърни симулации на взаимодействащи си клетки, учените изследват условията, при които една система може да поддържа стабилен краен резултат въпреки въвеждането на колебания.

Въпреки че моделът вече е успешно приложен към 3 различни модела на развитие, основани на химични и механични сигнали, ще е необходима още работа, за да се приложи към експериментални записи на еволюиращи системи.

В бъдеще учените планират да изследват по-сложни модели с повече параметри и измервания.

„Количественото определяне на по-сложни модели ще ни позволи да приложим нашия модел към експериментално измерени модели на химическа сигнализация в развиващите се ембриони.“

добавя Давид Брюкнер