Насекомые прошли тест Тьюрингом

Ученые и выпускники МГУ имени М.В.Ломоносова подтвердили модель Алана Тьюринга, которая описывает такие сложные биологические рисунки, как пятна на шкуре леопарда или узоры на коже тропических рыб. Результаты работы помогут в создании искусственных био-нанопокрытий с заданными антиотражательными свойствами.

В 1952 году легендарный британский математик и криптограф Алан Тьюринг предложил модель, в которой математически описал механизм, позволяющий формировать сложные биологические рисунки, такие как пятна на шкуре леопарда или узоры на коже некоторых тропических рыб. Российским ученым удалось доказать, что формы нанопокрытий на «фасеточных» (от французского facette – «грань») глазах представителей 23 отрядов насекомых полностью вписываются в данную модель.

До сих пор существовали лишь отдельные доказанные примеры работы данной модели: каждый раз речь шла о каком-то одном типе структур: пятна, либо островки, либо полосы. Исследователи из России путем соотнесения математических моделей и реальных картинок показали, что на поверхности глаз насекомых формируются все возможные типы тьюринговских структур, включая переходные формы между ними, окончательно подтвердив правоту Алана Тьюринга. Соответствующая статья была опубликована в авторитетном научном журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) (от. ред. статья Blagodatski, Artem, Anton Sergeev, Mikhail Kryuchkov, Yuliya Lopatina, and Vladimir L. Katanaev. "Diverse set of Turing nanopatterns coat corneae across insect lineages." Proceedings of the National Academy of Sciences 112, no. 34 (2015): 10750-10755. в свободном доступе).

Работа была выполнена силами коллектива, базирующегося в Институте белка РАН (Пущино) и на кафедре энтомологии Московского государственного университета имени

М.В.Ломоносова. Коллектив работал под руководством профессора Владимира Катанаева. Артем Благодатский и Михаил Крючков занимались подбором, подготовкой и обработкой образцов глаз насекомых. Юлия Лопатина с кафедры энтомологии МГУ играла роль эксперта-энтомолога, предоставляя образцы насекомых из коллекций. Антон Сергеев из Института белка РАН и Института математических проблем биологии РАН занимался атомно-силовой микроскопией.

Изначальной целью исследования была характеристика различных типов трехмерных наноструктур, покрывающих поверхности фасеток глаз насекомых, то есть каждого из простых глазков, из которых состоит сложный “фасеточный” глаз членистоногих. Ранее другими исследователями уже были описаны нанопокрытия в виде массива бугорков или «ниппелей» на поверхности фасеток бабочек, мух и комаров — также для них была показана антибликовая и антиотражательная функция.

«Мы решили максимально расширить таксономию насекомых, для которых будут охарактеризованы нанопокрытия глаз, а также проверить, совпадает ли развитие и взаимопревращение этих покрытий с положением разных отрядов насекомых на эволюционном древе», -- рассказал кандидат биологических наук, научный сотрудник Института белка РАН выпускник биологического факультета МГУ Артем Благодатский. Для выполнения задачи ученые провели анализ формы нанопокрытий на фасетках глаз для 23 из 30 выделяемых на данный момент отрядов насекомых. Исследователи использовали метод атомно-силовой микроскопии, при котором поверхность исследуемого объекта сканируется тончайшим зондом-иголкой (кантилевером). Метод позволяет получить трехмерную картину объекта с разрешением до отдельных нанометров. Дополнительным преимуществом являлось то, что все старые данные по наноструктуре поверхностей глаз насекомых были получены методом сканирующей электронной микроскопии на платиновых слепках оригинальных образцов, что приводило порой к некоему искажению. «Мы же всегда исследовали сам образец. Это позволило нам увидеть тонкую структуру покрытий глаз многих насекомых, которые раньше считались лишёнными структуры», -- уточнил Артем Благодатский.

Результаты работы были неожиданными: оказалось, что форма нанопокрытий на глазах никак не соотносится с эволюционным развитием насекомого. Так, самые примитивные исследованные насекомые (щетинохвостки) и одни из самых эволюционно продвинутых (бабочки) несут на поверхности глаз очень похожие наноструктуры.

Кроме того, исследователи охарактеризовали четыре основных типа глазных нанопокрытий («ниппели», «дырки», параллельные тяжи и лабиринтоподобную структуру, напоминающую извилины мозга), а также переходные формы между этими типами структур и показали, что эти структуры могут встречаться у совершенно разных насекомых.

Самым интересным результатом работы было то, что все вышеупомянутые типы наноструктур полностью укладываются в модель, предложенную Аланом Тьюрингом еще в 1952 году. Он математически описал механизм, позволяющий формировать сложные биологические рисунки, такие как пятна на шкуре леопарда или узоры на коже некоторых тропических рыб. В основе механизма — взаимодействие всего двух химических веществ, которые с разными скоростями распространяются в среде. Модель Тьюринга дает на выходе большой набор картинок различной формы. До сих пор существовали лишь отдельные доказанные примеры работы данной модели.

«Мы же показали путём соотнесения математических моделей и реальных картинок, что на поверхности глаз насекомых формируются все возможные типы тьюринговских структур, включая переходные формы между ними, окончательно подтвердив правоту гениального математика», — уточнил Артем Благодатский.

Еще один интересный результат дал краткий анализ глаз пауков, скорпионов и многоножек — их глаза несли те же самые типы наноструктур, что позволяет распространить работу модели на всех членистоногих.

«Дальнейшим развитием работы, по нашему плану, должны стать генетические опыты на мухах-дрозофилах. Дело в том, что дрозофилы обладают собственными нанопокрытиями на поверхности глаз в форме «ниппелей», — резюмировал Артем Благодатский.

Муха-дрозофила — очень хорошо изученный организм, известны функции большинства ее генов, в том числе и тех, что отвечают за развитие глаза. Манипулируя работой таких генов, то есть, заставляя их выключаться или, наоборот, активизироваться, ученые попытаются изменить нанорисунок на поверхности мушиного глаза в сторону другого типа тьюринговских структур. А это, учитывая антиотражательную функцию глазных нанопокрытий, — уже прямой путь к искусственному созданию био-нанопокрытий с заданными антиотражательными свойствами.