Turingovy struktury v biologických systémech: od makroorganismů k mikrosvětu

Abstract

This bachelor's thesis examines the phenomenon of Turing structures and their role in the process of morphogenesis. The text first explains the difference between the theory of positional information and the concept of self-organization, which accounts for how complex patterns emerge from an initially homogeneous state. The thesis analyzes the stages of Turing stability and focuses in detail on the sixth stage, which is necessary for the formation of stable and fixed patterns. In addition to the original Turing reaction - diffusion model, the thesis also presents its modifications, specifically the Gierer - Meinhardt model and the Gray - Scott model. These allow for more accurate simulations of biological reality. The thesis further demonstrates the practical applicability of these models using examples from both the animals and plants, ranging from fur and skin coloration to processes at the cellular level. In its final part, the thesis examines Turing patterns in phycology, demonstrating that reaction-diffusion mechanisms can operate across multiple spatial scales. In algae, these patterns manifest at the macro-scale (oceanic phytoplankton blooms), the meso-scale (models of mussel-algae interactions), and the micro-scale (silica deposition processes in diatoms).

Tato bakalářská práce se věnuje fenoménu Turingových struktur a jejich roli v procesu morfogeneze. Text nejprve vysvětluje rozdíl mezi teorií poziční informace a konceptem samoorganizace, který vysvětluje, jak z původně homogenního prostředí vznikají složité vzory. Práce analyzuje stádia Turingovy stability a podrobně se věnuje stádiu šestému, které je nutné k tvorbě stabilních a fixních vzorů. Kromě původního Turingova modelu reakce a difuze jsou v práci představeny i jeho modifikace, konkrétně Gierer - Meinhardt model a Gray - Scott model. Ty umožňují věrnější simulace biologické reality. Práce dále demonstruje praktickou aplikovatelnost těchto modelů na příkladech, napříč živočišnými i rostlinnými organismy, od zbarvení srsti a kůže až po procesy na buněčné úrovni. Závěrem se práce věnuje Turingovým vzorům v algologii, kde se ukazuje, že reakčně-difuzní mechanismy mohou působit napříč několika měřítky. Tyto vzory se u řas projevují na makroúrovni (vodní květy v oceánech), na mezoúrovni (modely interakcí mezi slávkami a řasami) i na mikroúrovni (procesy ukládání křemíku u rozsivek).