Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 

Насекомые прошли тест Тьюрингом

Ключевые слова:  биология, математические модели, МГУ, нанобиотехноогии, нанопокрытия, наноструктуры, фасетки, физика, эволюция, энтомология

Опубликовал(а):  Палии Наталия Алексеевна

27 сентября 2015

Насекомые прошли тест Тьюрингом

Разнообразие наноструктурированных покрытий на фасетках глаз различных групп членистоногих

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.


Источник: PNAS, Пресс-Центр МГУ




Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Зелёные водоросли
Зелёные водоросли

Перст-дайджест
В новом выпуске бюллетеня «ПерсТ»: Наноструктуры в природе. Крылья ночной бабочки – акустические метаматериалы. Доменный зигзаг: новый поворот в теории микромагнетизма. Новый материал для оптических терагерцовых элементов. Водород в графине. Следопыты сверхбыстрых процессов: определение длительности световой пули. Нобелевская премия 2022.

Наносистемы: физика, химия, математика (2022, Т. 13, № 5)
Опубликован новый номер журнала "Наносистемы: физика, химия, математика". Ознакомиться с его содержанием, а также скачать необходимые Вам статьи можно по адресу: http://nanojournal.ifmo.ru/articles/volume13/13-5
Там же можно скачать номер журнала целиком.

7-9 октября - Фестиваль НАУКА 0+ в Москве
7-9 октября в Москве будут проходить мероприятия в рамках Всероссийского фестиваля НАУКА 0+ — одного из крупнейших просветительских проектов в области популяризации науки в мире и одного из ключевых событий в рамках Десятилетия науки и технологий.

Материалы к защитам выпускных квалификационных работ бакалавров ФНМ МГУ 2022
Коллектив авторов
Материалы к защитам выпускных квалификационных работ бакалавров ФНМ МГУ 2022 содержат следующую информацию:
• Подготовка бакалавров на факультете наук о материалах МГУ
• Состав Государственной Экзаменационной Комиссии
• Расписание защит выпускных квалификационных работ бакалавров
• Аннотации квалификационных работ бакалавров

Материалы к защитам магистерских квалификационных работ на ФНМ МГУ в 2022 году
коллектив авторов
24 - 27 мая пройдут защиты магистерских квалификационных работ выпускниками Факультета наук о материалах МГУ имени М.В.Ломоносова.

Пятилетка Олимпиады "Нанотехнологии - прорыв в будущее!": что было и что может быть в будущем
Е.А.Гудилин , А.А.Семенова
Уже более 15 лет живет и развивается Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в будущее!". За всю историю Олимпиады было предложено много инновационных решений, охват олимпиадой составил более 50 000 участников по всей Российской Федерации и странам ближнего зарубежья. В статье приводятся статистические данные по Олимпиаде и возможные пути ее дальнейшего развития.

Эра технопредпринимательства

В эпоху коронавируса и борьбы с ним в существенной степени меняется парадигма выполнения творческих работ и ведения бизнеса, в той или иной мере касаясь привлечения новых типов дистанционного взаимодействия, использования виртуальной реальности и элементов искусственного интеллекта, продвинутого сетевого маркетинга, использования современных информационных технологий и инновационных подходов. В этих условиях важным является, насколько само общество готово к использованию этих новых технологий и как оно их воспринимает. Данной проблеме и посвящен этот небольшой опрос, мы будет рады, если Вы уделите ему пару минут и ответите на наши вопросы.

Технопредпринимательство в эпоху COVID-19

Небольшой опрос о том, как изменились подходы современного предпринимательства в контексте новых и возникающих форм ведения бизнеса, онлайн образования, дистанционных форм взаимодействия и коворкинга в эпоху пандемии COVID - 19.

Технонано

Технопредпринимательство - идея, которая принесет свои плоды при бережном культивировании и взращивании. И наша наноолимпиада, и Наноград от Школьной Лиги РОСНАНО, и проект Стемфорд, и другие замечательные инициативы - важные шаги на пути реализации этой и других идей, связанных с развитием новых высоких технологий в нашей стране и привлечением молодых талантов в эту вполне стратегическую область. Ниже приведен небольшой опрос, который позволит и нам, и вам понять, а что все же значит этот модный термин, и какова его суть.



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.