Рассмотрим ракообразное Parhyale hawaiensis, крошечное ракообразное с некоторыми интересными свойствами.
«Его называют «живым швейцарским армейским ножом», — сказал Диллон Цисло, ведущий автор исследования, опубликованного в журнале Nature Physics. «У него множество различных придатков, и каждый из них уникален по размеру и форме. Кроме того, у каждой из этих конечностей есть очень специфическая функция».
Их очаровательные тела и доступные условия роста делают этих существ хорошо выбранными модельными организмами для исследований развития. Но более того, по словам исследователей Цисло и Калифорнийского университета в Санта-Барбаре Марка Бовика и Себастьяна Стрейхана, их эмбрионы — это окно в мир морфогенеза тканей, область, которая стремится понять, как масса эмбриональных клеток становится сложными частями тела взрослый организм.
Как «непосредственный разработчик» или организм, который строит свою взрослую форму, хотя и в миниатюре, в отличие от отдельной личиночной формы и претерпевающей метаморфоз, это ракообразное заслуживает внимания.
«Вы переходите от этого набора беспорядочно упорядоченных клеток ко всем этим сумасшедшим, сильно сочлененным придаткам во взрослой структуре», — сказал Цисло, исследователь с докторской степенью в Рокфеллеровском университете, который проводил исследование для этой статьи в качестве аспиранта UCSB под руководством руководством физиков-теоретиков Бовика, Бориса Шраймана, а также Стрейхана, специализирующегося на физике живого вещества.
До недавнего времени большинство наблюдений за эмбриогенезом включало взятие нескольких зародышей модельного организма, скажем, плодовой мушки, на разных стадиях развития и «фиксацию» их для того, чтобы вовремя заморозить. Оттуда ученые могут делать расчеты и выводы относительно последовательности событий, которые происходят в развитии их тел. Но что было труднее наблюдать, так это то, как молодые клетки вообще находят свое место и положение.
Выяснение того, как все это работает вместе, является горячей темой в биологии. Но это также относится к области физики активного вещества, области, которая интересуется коллективным поведением систем из множества независимых «агентов», локально потребляющих энергию. Примеры активной материи разнообразны: от бормотания скворцов до колоний бактерий и толп людей. Активная материя может также охватывать небиологические ситуации, когда компоненты единицы находятся вне равновесия, например, рои роботов.
Порядок из беспорядка
Когда эмбриональные клетки делятся, они делают это в противоположных направлениях вдоль оси, а затем эти дочерние клетки делятся в противоположных направлениях вдоль своих осей и т. д., хотя нет причин, по которым ось деления дочерней клетки должна зависеть от оси деления. родителя. Кажется, что это усложнит жизнь тканям, структура и функции которых зависят от организации и ориентации их элементарных клеток.
Чтобы увидеть, как клетки P. hawaiensis справляются с расстройством, которое может быть представлено их пролиферацией, исследователи проследили за развитием эмбриона через три дня после оплодотворения.
«Это похоже на тонкий слой клеток поверх сферического желтка», — сказал Цисло. Чтобы лучше наблюдать за процессом, они с помощью вычислений сгладили этот изогнутый набор клеток в плоскость «таким образом, чтобы соблюдалась трехмерная геометрия фактической физической конфигурации», поясняется в статье, и отслеживали эти клетки, когда они делились и перемещались. в первом в истории динамическом анализе этой конкретной стадии раннего развития P. hawaiensis.
Через 12 часов после начала наблюдения растущая популяция клеток не только увеличилась чуть более чем в два раза, они выстроились в сетку, ряды которой соответствовали сегментам взрослого тела. Отсюда монослой клеток, примерно соответствующий площади брюшка рачка, претерпевает волны клеточного деления, начиная от срединной линии и распространяясь латерально, делясь по оси от головы к хвосту животного — к -быть.
По словам Кисло, разделение не было случайным. То есть, вместо того, чтобы просто стать большей массой, казалось бы, неупорядоченных клеток, эти клетки будут делиться, а затем некоторые дочерние клетки будут переориентироваться на целых 90 градусов, прежде чем снова делиться, чтобы сохранить свое выравнивание с осью голова-хвост.
«По мере того, как он подвергается хореографии разделения, вы начинаете видеть, как новые ряды вставляются между рядами, раздвигая ряды выше и ниже друг от друга», — сказал он. «И это очень дико, потому что в неживой физической системе это очень энергозатратная операция».
По словам Кисло, в металлах и кристаллах этот механизм реорганизации потребует нагревания материала до тысяч градусов, «но здесь креветка делает это при комнатной температуре». Насколько известно исследователям, общая ось клеточного деления, скорее всего, связана с биологическим сигналом, который еще предстоит раскрыть.
По мнению исследователей, хоть и хрупкая, а в некоторых случаях и энергозатратная, четверная ориентация на ранних стадиях развития ракообразных жизненно необходима.
«Есть некоторые идеи о том, как интерпретировать эти результаты», — сказал Стрейхан. «Основной ход мысли включает в себя ориентацию конечностей животных. Подобно нашим рукам или ногам, эти конечности имеют четкую ориентацию… и, поскольку тело состоит из нескольких таких конечностей, правильное функционирование тела требует координации ориентации этих конечностей.
«Представьте, что ваша левая рука повернута по отношению к правой руке, скажем, на 180 градусов, поменяв местами тыльную сторону руки и ладонь», — добавил он. «Ежедневные задачи станут довольно сложными».
Встряхивание вещей
Важно помнить одну вещь: эта организация существует в структурированном текучем состоянии — не совсем жидком и не совсем твердом, — сказал Бовик. «С точки зрения физики, фаза имеет ту же форму, что и сверхтекучее вещество», — пояснил он.
Оказывается, для всего порядка, создаваемого решетчатой организацией клеток, возможность беспорядка, представленная жидким состоянием и клеточными делениями, имеет решающее значение для гибкости, необходимой для биологической системы, добавил Бовик. «Клетки не просто делятся, они явно воздействуют друг на друга при этом», — сказал он.
Исследователи обнаружили, что клетки, каждая со своим маленьким двигателем и собственными «часами» для автономного деления, создавали определенный «шум» — вариации и флуктуации — на ранней стадии клеточной пролиферации и на последующей стадии, когда клетки продолжали делиться. делились, но сама ткань также удлинялась.
Этот шум может сначала показаться контрпродуктивным для формирования сложного тела с таким количеством различных придатков, но, по мнению исследователей, сам шум необходим для надежного процесса. Используя свою четырехчастную ориентацию, система занимает «зону Златовласки» между порядком и беспорядком: достаточно порядка, чтобы начать строить существо, но все еще достаточно открытого, чтобы поглощать небольшие несоответствия в процессе.
С помощью серии симуляций они обнаружили, что, несмотря на различия во времени или в концентрации делений (до определенной степени) или на присутствие клеток, которые не переориентировались во время пролиферации, все же можно в конечном итоге прийти к одному и тому же результату. конечный результат.
«Вывод заключается в том, что биология на самом деле не должна ужасно жестко контролировать вещи, чтобы достичь желаемого результата», — сказал Цисло — открытие, которое может дать только динамический анализ.
Бовик соглашается. «Представьте, что вы хотите, чтобы система достигла некоторого упорядоченного состояния; если вы полностью статичны, вы никогда этого не найдете», — сказал он. «Но если вы встряхнете систему, вы, возможно, позволите ей, наконец, прийти в упорядоченное состояние. И, похоже, здесь происходит то, что клеточные деления встряхивают систему, позволяя ей, наконец, прийти в тонкое упорядоченное состояние». состояние.»
Это исследование представляет собой захватывающий взгляд на редко встречающуюся грань биологии развития, которая действует по геометрическому организационному принципу, о чем свидетельствует ее четырехчленная ориентация.
«Плодовая мушка, которая является атомом водорода в биологии развития, организует сегменты своего тела с помощью каскада биохимических сигналов», — объяснил Цисло. «Это что-то совершенно другое».
«Что замечательно в работе Диллона, так это то, что ориентационный порядок обнаруживается на уровне положения клетки, обозначая механически наблюдаемое упорядоченное состояние», — сказал Стрейхан. В отличие от развития других животных, эмбриональные клетки которых полагаются на химические сигналы для ориентации, у P. hawaiensis формирование решетчатого паттерна представляет собой механическое событие, которое охватывает две области — одну ближе к голове, а другую дальше от головы, что позволяет обеим областям согласовываться. на позиции своих клеток. Сетка также гарантирует расположение и ориентацию клеток , которые становятся конечностями еще до того, как они разовьются.
Во многих отношениях проект Диллона стал еще одним примером того, как биология находит способы использовать физику для своих целей», — сказал Стрейхан.
«Также могут быть уроки по материаловедению», — добавил Бовик. «Если вы хотите создавать интересные материалы, вы можете извлечь уроки из биологии и вывести некоторые из этих систем материалов из равновесия и таким образом создавать замечательные структуры».
