Механические силы управляют эволюцией: пример головной борозды у дрозофилы
Исследование на эмбрионах плодовой мушки Drosophila melanogaster показало, что складка ткани, известная как головная борозда (cephalic furrow), играет ключевую механическую роль. Эта эволюционная новинка, формирующаяся на границе головы и туловища, стабилизирует эмбриональные ткани во время развития, предотвращая их механическую нестабильность.
Работа опубликована в журнале Nature.
Эволюционный ответ на механический стресс
Механические силы формируют ткани и органы в процессе морфогенеза. Во время гаструляции однослойная бластула превращается в сложную многослойную гаструлу. У некоторых двукрылых (Diptera) на границе головы и туловища образуется головная борозда — эволюционная новинка этой группы.
Исследовательские группы Павела Томанчака и Карла Модса из Института молекулярной клеточной биологии и генетики им. Макса Планка (Дрезден) изучили функцию этой складки.
Генетически запрограммированная складка с механической функцией
Ранее было известно, что несколько генов, включая buttonhead, контролируют формирование головной борозды, но её функция оставалась неясной: она не даёт начало конкретным структурам и позже просто разворачивается.
Эксперименты показали, что отсутствие головной борозды приводит к увеличению механической нестабильности тканей. Основные источники механического стресса — деления клеток и движения тканей во время гаструляции. Формирование борозды поглощает эти сжимающие напряжения. Без неё напряжения накапливаются, вызывая нестабильность и изгиб тканей.
Это навело на мысль, что головная борозда могла эволюционировать в ответ на механические вызовы гаструляции двукрылых, где механическая нестабильность выступала в качестве движущего отбора.
Физическая модель динамики складывания
Экспериментаторы объединились с теоретиками, чтобы создать физическую модель, имитирующую поведение эмбриональных тканей.
Модель, построенная на экспериментальных данных, показала, что для буферной функции важны не столько сила натяжения внутри складки, сколько её положение и время формирования:
- Чем раньше формируется борозда, тем лучше её буферный эффект.
- Наибольший эффект достигается, когда она формируется примерно в середине эмбриона.
Модель подтвердила, что головная борозда может поглощать сжимающие напряжения и предотвращать механическую нестабильность.
Два клеточных механизма предотвращения стресса
Параллельное исследование, также опубликованное в Nature, обнаружило два разных способа, которыми мухи справляются со сжимающим напряжением:
- Наличие головной борозды.
- При её отсутствии — широко распространённое деление клеток в перпендикулярной плоскости (out-of-plane division), что уменьшает площадь поверхности.
Оба механизма действуют как "механические стоки", предотвращая столкновение и деформацию тканей.
Вывод
Исследование предоставляет эмпирические доказательства того, что механические силы могут влиять на эволюцию новшеств в раннем развитии. Головная борозда, вероятно, эволюционировала через генетические изменения в ответ на механические вызовы. Это показывает, что механические силы важны не только для развития эмбриона, но и для эволюции самого процесса развития.