Ограничение тела гидры может привести к росту у неё двух голов

Гидра — это небольшое беспозвоночное хищное животное, живущее в воде. Оно имеет трубчатую, радиально-симметричную форму длиной до 10 мм, с головой (в основном ртом), единственной клейкой ногой и щупальцами.

В исследовании, опубликованном в журнале PRX Life, учёные изучили, как механические силы и обратные связи могут влиять на план тела гидры.

Гидру выбрали потому, что она известна способностью к регенерации, так как большинство её клеток тела — это стволовые клетки, которые могут постоянно делиться и затем дифференцироваться в любой из типов клеток организма. Фактически, гидра настолько хорошо это делает, что не проявляет признаков старения и может быть бессмертной, постоянно регенерируя любые нужные клетки, даже из небольшого исходного фрагмента ткани.

Морфогенез — это биологический процесс, который заставляет клетку, ткань или организм развивать свою форму. Он включает дифференцировку клеток, тканей и органов, приводя к созданию порядка в развивающемся организме.

В этом исследовании группа учёных из Израиля и Германии под руководством Йонит Марудас-Сакс из Техниона — Израильского технологического института в Хайфе — поместила гидру в узкий цилиндрический канал. Канал ограничивал морфологию животного — форму и структуру организма и особенности его строения.

В предыдущей работе группа сосредоточилась на роли многоклеточных массивов актомиозиновых волокон в направлении и стабилизации оси тела гидры при регенерации. У гидры есть параллельные актомиозиновые волокна, которые сокращаются.

Они решили исследовать, как поле ориентации актомиозиновых волокон, содержащее локально неупорядоченные области, называемые топологическими дефектами, связано с планом тела в морфогенезе гидры.

Они разработали методологию для ограничения регенерирующей гидры анизотропным образом — по оси, отличной от параллельных волокон гидры. Ограничение осуществлялось в стеклянной капиллярной трубке, снабжённой небольшими цилиндрическими каналами на внутренней поверхности шириной от 120 до 300 микрон.

Когда ткань гидры вводилась в получившийся канал, движение ткани вдоль оси цилиндра уменьшалось (около 20–50 клеток по окружности полости при типичном размере клетки 20 микрон), при этом позволяя сферической ткани развернуться и регенерировать в удлинённую эллипсоидную форму.

Со временем регенерирующая ткань заполняет доступный ей канал, затем формирует рот и щупальца, когда тело становится уже канала, и животное отделяется от стенок канала.

Таким образом, развивается угол между ограниченной осью тела и унаследованной осью тела. Относительный угол зависит от ориентации, в которой сфероид ткани гидры входит в канал: с унаследованной осью, параллельной или перпендикулярной оси канала.

Ограничение, наложенное на геометрию ткани стенками канала, влияет на паттерны механического напряжения, испытываемого тканью гидры, как из-за градиента гидростатического давления по трубке, так и из-за частых мышечных сокращений.

Группа обнаружила, что существует сильное предпочтение осей тела и актомиозиновых волокон выравниваться по «лёгкой оси» канала, с одной головой и одной ногой вдоль оси канала. Но если исходная ткань была перпендикулярна оси канала, развивались другие планы тела.

Они написали: «образцы, изначально ориентированные с первичным выравниванием волокон перпендикулярно направлению канала, часто регенерируют в многоосные морфологии».

Если животные были ограничены по длине перпендикулярно оси канала, они в основном состояли из животных с, что удивительно, двумя головами и часто более чем одной ногой. Эти множественные морфологические особенности расположены не вдоль одной оси, а скорее в соединениях между осями с определёнными топологическими дефектами в организации волокон.