Влияет ли движение на развитие? У морских анемон форма зависит от активности
Исследователи из группы Икми в EMBL изучили, как поведение влияет на форму тела в ходе раннего развития на примере морской анемоны Nematostella. Этот организм претерпевает фундаментальный переход от овальной плавающей личинки к сидячему трубчатому полипу — преобразование, характерное для многих стрекающих, включая кораллы.
В новой работе, опубликованной в Current Biology, группа показала, что развивающиеся личинки анемон ведут себя как гидравлические насосы. Они регулируют давление в теле с помощью мышечной активности и используют гидравлику для формирования тканей.
"Люди используют для движения скелет из мышц и костей. В отличие от них, анемоны используют гидроскелет — мышцы и полость, заполненную водой", — пояснил Айссам Икми, руководитель группы EMBL.
Исследователи применили методы live-визуализации, вычислительные подходы и генетику, чтобы количественно отслеживать изменения тела. Они обнаружили, что личинки Nematostella естественным образом делятся на две группы: медленно и быстро развивающиеся. К удивлению учёных, более активные личинки развивались дольше.
"Наша работа показывает, что развивающиеся анемоны, по сути, «упражняются», чтобы построить свою морфологию, но, похоже, они не могут использовать свой гидроскелет для движения и развития одновременно", — отметил Икми.
Специальный микроскоп и принцип надувного шарика
Для преодоления трудностей съёмки активных и плотных личинок инженер Лин Ван из группы Преведеля в EMBL создал специальный микроскоп на основе технологии Optical Coherence Microscopy (OCM). Это позволило получать чёткие 3D-изображения живых личинок в процессе их естественного поведения.
С помощью этого инструмента учёные смогли количественно оценить объёмные изменения в тканях и полости тела. "Чтобы увеличить размер, анемоны надуваются, как шарик, забирая воду из окружающей среды", — объяснила первый автор статьи Анник Стоккерманс. "Затем, сокращая разные типы мышц, они регулируют свою кратковременную форму, подобно тому, как если сжать надутый шарик с одной стороны — он расширится с другой. Мы считаем, что это локальное расширение, управляемое давлением, помогает растягивать ткань, так что животное медленно вытягивается".
Междисциплинарное моделирование и перспективы
Для понимания гидравлики исследователи сотрудничали с экспертами из разных областей. Математик Л. Махадеван и инженер Адити Чакраборти из Гарвардского университета разработали математическую модель для количественной оценки роли гидравлического давления в изменении формы. Они также создали усиленные лентами шарики, имитирующие диапазон форм и размеров, наблюдаемых у нормальных животных и животных с дефектами мышц.
"Учитывая повсеместное распространение гидростатических скелетов в животном мире, особенно среди морских беспозвоночных, наше исследование предполагает, что активная мышечная гидравлика играет широкую роль в принципах конструкции мягкотелых животных", — заключил Икми.
Это исследование добавляет новый уровень к пониманию того, как формируется тело, дополняя предыдущие работы группы Икми о связи диеты и развития щупалец. Остаются открытые вопросы о причинах разного уровня активности и о том, как клетки воспринимают давление и переводят его в результат развития. Изучение этих механизмов у Nematostella также может помочь понять роль гидравлики в развитии и функции органов у других животных, поскольку трубчатые структуры лежат в основе многих органов.