Добавить новость
smi24.net
News in English
Ноябрь
2023

The way a sperm tail moves can be explained by mathematics worked out by Alan Turing

0
SciePro / Shutterstock

Alan Turing might be best know for his work helping to crack Germany’s “Enigma” communications code during the second world war. But he also came up with a theory where patterns can form just through chemical compounds spreading out (diffusing) and reacting with one another. This became known as reaction-diffusion theory for pattern formation.

PhD student James Cass and I recently published a study in Nature Communications that revealed the tail of a sperm, known as a flagellum, generates patterns as it moves – and that these patterns can be described by Turing’s theory.

Patterns formed by chemical interactions create a large variety of shapes and colours such as spirals, stripes and spots. They are everywhere in nature, and are believed to be behind animal markings such as those on zebras and leopards, the whorl of seeds in a sunflower head and patterns formed by beach sand.

Turing’s theory can be applied to various fields in science, from biology and robotics to astrophysics.

We wanted to explore whether there was a mathematical connection between these chemical patterns and how sperm tails move. If there was, it might suggest that nature uses similar templates to create patterns of motion at tiny scales.

Animated reaction-diffusion patterns.

Tale of a tail

The mathematics of how the sperm flagellum moves is very complex. The flagellum uses molecular scale “motors” to effectively shape-shift. They use energy in one form and convert it into mechanical work, generating motion. These motors power tiny fibres that exist in a bundle called an axoneme. These are beautiful, geometric and slender structures that can be up to 0.05 millimetres long in human sperm – about half the width of a human hair.

The axoneme is very flexible, meaning micrometre-scale waves can travel along it. It is the active core of the flagellum and is responsible for propelling sperm cells along. They can even sense the environment around them.

The swimming motion is a result of complex interactions between passive components such as the axoneme and its elastic connector parts, active parts (the molecular motors) and the surrounding fluid.

Cross section through an axoneme. Wikipedia

The fluid environment in which sperm travel generates drag that resists motion by the flagellum. In order for sperm to travel, multiple, partly antagonistic, factors need to reach a balance where undulations by the flagellum propel sperm along.

We were partially inspired by scientific findings that suggest the surrounding fluid has little effect on sperm flagellum movements. To investigate this, we created a digital “twin” of the sperm flagellum in a computer.

This twin is a representation in the computer that should behave in a very similar way to the real thing. This complex task was carried out by James F. Cass at the Polymaths Lab.

This allowed us to determine how much the surrounding fluid influenced the movement of the tail. We found that low viscosity (watery) fluids, the kind that aquatic species are adapted for, had very little effect on how the flagellum was shaped.

Using a combination of mathematical modelling, simulations and model fitting, we showed that undulations in sperm tails arise spontaneously, without the influence of their watery surroundings. This means that the flagellum has a foolproof mechanism to enable swimming in low viscosity fluids.

Spontaneous shape-shifting waves.

Mathematically, this spontaneous movement is equivalent to the way patterns arise under Turing’s reaction-diffusion system that was first proposed for chemical patterns. The similarity between chemical patterns and patterns of movement was striking and unexpected.

Typically, we would not think about chemical patterns working the same way as motion patterns (or patterns of contractions), nor would we expect the mathematics to be similar. But now we know this is the case, we think the motion pattern may only need two simple ingredients. The first is chemical reactions that drive molecular motors and the second is a bending motion by the elastic flagellum. The surrounding fluid has little to no effect in aquatic environments.

Waves of contractions are stripe patterns in spacetime.

The molecular motors all along the sperm’s flagellum create “shearing” forces which bend the tail. If an elastic rod is bent and released, the rod will eventually unbend until it reaches a straight equilibrium. In other words, bending “diffuses” along the structure in the same way that a dye diffuses in fluid until it reaches a balanced level of dilution – known as equilibrium. It harks back to Turing’s mathematics.


Read more: How animals got their spots and stripes – according to maths


These findings may be used in future to better understand fertility issues associated with abnormal motion of the flagellum. The mathematics behind this could also be explored for new robotic applications, including artificial muscles and what are known as animate materials – materials that seem “alive”, changing their response according to how they’re being used.

The same mathematics that describes how the sperm tail moves also applies to cilia. These are thread-like projections found on many types of biological cells that propel fluid along a surface. Researching their movement could help us better understand ciliopathies, diseases caused by ineffective cilia in the human body.

However, we need to be cautious. Mathematics is an imperfect tool for examining nature’s perfect work. Although this takes us a step closer to mathematically decoding spontaneous movement in flagella and cilia, the proposed animated reaction-diffusion theory is far too simple to fully capture all the complexity. Different teams have investigated whether Turing’s pattern formation theory is at work in other biological systems and have found the evidence lacking.

Likewise, other mathematical models may fit equally well, or even better, with experiments. As the British statistician George Box once rightly said: “All models are wrong, but some are useful”. We hope the patterns we have discovered can offer useful insights to the scientific community.

Hermes Bloomfield-Gadêlha receives funding from EPSRC.








Овик Аванесов: Пожары в Арцахе устроены специально, это часть спланированного культурного геноцида

В Москве прошла премия в области бизнеса, культуры и социальной сферы The Moscow Life & Business Awards – 2025

К доктору – без страха: сеть клиник «Будь Здоров» представила VR-решения для детского здоровья

В Москве прошла седьмая премия в области здоровья и красоты THE MEDICAL STARS & BEAUTY AWARDS


Ricky Hatton Names The Best British Fighter Of All Time And It’s Not Lennox Lewis

The 5 biggest global business rivalries to watch, and how their outcomes will shape the future

Jovic set for new opportunity after leaving Milan as free agent

£39m United star shouldn't be starting vs Arsenal, was gifting possession to Everton


Велоспорт для всех: начни вместе с ENERGY

Клиенты компании «Байкал Сервис» экономят на перевозке сезонных товаров

Ладожское утро...

В Курске 14-летние подростки украли из магазина 4 мотоцикла и запчасти


Android-игроки раскритиковали сурвайвл-хоррор Jericho: Survival

Black Hole io 1.5.1

Girl Rescue 1.0.3.3

Обзор на мобильную версию A Game About Digging A Hole



Gayazov$ Brother$ в Зеленом театре ВДНХ! Like FM дарит билеты

Велоспорт для всех: начни вместе с ENERGY

В России появилась универсальная методология нагрузочного тестирования ERP-систем

Попади на концерт FEDUK с Like FM


Gayazov$ Brother$ в Зеленом театре ВДНХ! Like FM дарит билеты

В России появилась универсальная методология нагрузочного тестирования ERP-систем

Попади на концерт FEDUK с Like FM

Карточка Артиста. Карточка артиста яндекс. Карточка артиста яндекс музыка.


Попади на концерт FEDUK с Like FM

Карточка Артиста. Карточка артиста яндекс. Карточка артиста яндекс музыка.

Elhim-Iskra: надёжные тяговые аккумуляторы для промышленной и складской техники

Температура морской воды на крымских пляжах, 6 августа


Теннисист Хачанов обыграл Микельсена и вышел в полуфинал турнира ATP

Хачанов обогнал Медведева, Рублев приятно удивил, а Таусон остановила Свентек

Теннисист Рублев вышел в четвертьфинал турнира ATP в Торонто

Бублик честно высказался о провале Рублёва и Медведева


Глава РФПИ Дмитриев и спецпосланник США Уиткофф прогулялись по «Зарядью»

Автозайм: Займы под залог авто – быстро и удобно

Карточка Артиста. Карточка артиста яндекс. Карточка артиста яндекс музыка.

В Москве прошла седьмая премия в области здоровья и красоты THE MEDICAL STARS & BEAUTY AWARDS


Музыкальные новости

«Это треш, полная дичь»: Волочкова раскритиковала подтанцовку Булановой

В Москве прошла премия «Триумф Года»

Игорь Бутман собирается разработать новый музыкальный спектакль

Суд в Москве вновь взыскал долг по взносам на капремонт с Тимати


Gayazov$ Brother$ в Зеленом театре ВДНХ! Like FM дарит билеты

Велоспорт для всех: начни вместе с ENERGY

В России появилась универсальная методология нагрузочного тестирования ERP-систем

Энергоэффективность в цифрах: в среднем новые ЖК могут экономить более 20% всех ресурсов, но есть нюанс по платежкам


Москва и Санкт-Петербург: лидеры комфортной жизни для молодёжи России

Спортсмены из Татарстана завоевали четыре медали на ЧМ по водным видам спорта в Сингапуре

«Все мое творчество посвящено моей любимой»: Владимир Селиванов рассказал в «УТРО.ТНТ» о шоу «Большой куш. Бангкок» и съёмках в сериале «Менталистка» на ТВ-3

В России появилась универсальная методология нагрузочного тестирования ERP-систем


Клиенты компании «Байкал Сервис» экономят на перевозке сезонных товаров

Дептранс Москвы рекомендовал использовать метро из-за ограничения движения

Два автобуса столкнулись на северо-востоке Москвы, движение перекрыто

В Москве на видео сняли затопленные до крыши автомобили


Во Франции высказались о визите Уиткоффа в Москву

Интриги Эрдогана и Зеленского. «Джокер» Путина. Активность над секретным полигоном: Главное к утру

Посол Израиля оценила отношения с РФ на фоне личного контакта Путина и Нетаньяху



В Москве задержали четверых сторонников ФБК за пожертвования организации

В Москве задержаны четверо мужчин по делу о пожертвованиях организации «ФБК»


В Москве прошла седьмая премия в области здоровья и красоты THE MEDICAL STARS & BEAUTY AWARDS

Алексей Тамаров – искусство пластической хирургии

К доктору – без страха: сеть клиник «Будь Здоров» представила VR-решения для детского здоровья

Алексей Тамаров – искусство пластической хирургии



«Детям полезно принимать участие в любой движухе, связанной с творчеством, музыкой и спортом!» В Москве завершился Международный фест-форум «Голоса Мира» 2025

Велоспорт для всех: начни вместе с ENERGY

«Ты будешь моей…»: Николай Ерусланкин из Нижнего Новгорода удивил всех участников шоу «Погоня» на ТНТ

Профессиональные бои состоятся в Нижнем Новгороде 9 августа



Сергей Собянин: В Москве запущен 220-й электробусный маршрут

Собянин сообщил о сокращении срока регистрации самоходной техники вдвое

Собянин открыл новый МФЦ для самоходной техники

Собянин открыл первый флагманский МФЦ для регистрации самоходной техники


Частые осадки летом 2025-го являются последствием изменения климата

Эксперт обсудил будущие возможности возобновляемых источников энергии в России

Мессенджер Max будут обязательно устанавливать на новые смартфоны с сентября

О причинах тропических дождей в Москве рассказал метеоролог Вильфанд


Велоспорт для всех: начни вместе с ENERGY

Самым продаваемым жилым кварталом премиум-класса Москвы вновь стал «Прайм Парк»

Карточка Артиста. Карточка артиста яндекс. Карточка артиста яндекс музыка.

Elhim-Iskra: надёжные тяговые аккумуляторы для промышленной и складской техники


Амурская область оказалась в числе аутсайдеров по качеству дорог

Защищённый планшет промышленного класса Saotron RT-W11

Алтайский край оказался одним из антилидеров по качеству автодорог

Коми, Камчатку, Архангельскую, Иркутскую, Калужскую, Костромскую, Курскую, Свердловскую и Оренбургскую области эксперты отнесли к регионам, где на осенних выборах "протестный потенциал выше среднего", говорится в докладе...


До 100 метеоров в час: когда наблюдать пик звездопада Персеиды над Крымом

Прогноз погоды в Крыму на 6 августа

Компания «Гранд Сервис Экспресс» информирует об изменениях в курсировании некоторых поездов «Таврия» с осени 2025 года

Поезда в Крым меняют маршруты и график


Начинается. Подлодки США уже у границ России: Ответный манёвр Кремля удивил. В Китае пооткрывали рты

«Будьте везунчиками»: семья из Москвы выиграла более 33 млн в лотерею «Мечталлион» и планирует купить квартиру для дочери

Глава РФПИ Дмитриев и спецпосланник США Уиткофф прогулялись по «Зарядью»

Elhim-Iskra: надёжные тяговые аккумуляторы для промышленной и складской техники














СМИ24.net — правдивые новости, непрерывно 24/7 на русском языке с ежеминутным обновлением *