Микроскопическая гребля — без рулевого
Многие типы клеток, включая сперматозоиды, бактерии и водоросли, используют для движения жгутики — похожие на кнуты отростки длиной около одной сотой миллиметра. Они работают как крошечные вёсла, помогая клеткам перемещаться в жидкости. Более короткие аналогичные структуры, реснички, покрывают поверхности многих клеток и выполняют такие функции, как перемещение жидкости по клетке.
Жгутики и реснички невероятно универсальны: они перемещают слизь и выводят патогены из дыхательных путей, устанавливают лево-правую асимметрию у развивающихся эмбрионов позвоночных и продвигают яйцеклетки по фаллопиевым трубам. Каждая ресничка или жгутик бьётся в своём собственном ритме, но когда они собраны в большие группы, они стремятся грести синхронно, как будто под руководством рулевого.
Причина такой синхронизации оставалась загадкой. Эксперименты 1940-х годов показали, что жгутики сперматозоидов быка синхронизируются, когда плавают близко друг к другу, будучи связаны только через окружающую их жидкость. Однако точный механизм, с помощью которого группы ресничек и жгутиков входят в синхронный режим, не был до конца ясен.
Давняя гипотеза предполагала, что причиной может быть движение жидкости, вызванное биением жгутиков. Хотя предыдущие экспериментальные данные соответствовали математическим теориям, описывающим движение жидкости, они не могли исключить другие механизмы синхронизации, такие как химическая сигнализация или физические связи между жгутиками.
Теперь, используя новую экспериментальную методику, исследователи из Кембриджского университета смогли разделить различные механизмы и показать, что движения жидкости, создаваемого двумя бьющимися жгутиками, достаточно самого по себе, чтобы заставить их грести синхронно. Результаты опубликованы 29 июля в журнале eLife.
В команду из Департамента прикладной математики и теоретической физики вошли доктор Дуглас Брамли (ныне в MIT), аспирантка Кёрсти Ван, доктор Марко Полин (ныне в Уорикском университете) и профессор Рэймонд Э. Голдштейн.
Группа использовала высокоскоростную съёмку и микроскопию для наблюдения за жгутиками двух физически разделённых клеток зелёной водоросли Volvox carteri. Удерживая клетки с помощью микроманипуляторов, подобных используемым при ЭКО, они могли систематически изменять расстояние между клетками в жидкости. На большом расстоянии два жгутика бились с разной частотой, подчиняясь своим собственным внутренним ритмам.
Однако команда обнаружила, что при сближении на достаточно малое расстояние два жгутика могли синхронизироваться в одном ритме на тысячи циклов биения. В поразительном компромиссе между их естественными частотами, каждый из двух жгутиков создаёт потоки, достаточные для синхронизации их движений.
Кроме того, анализируя временные ряды биения, команда смогла определить силу взаимодействия между жгутиками, которая оказалась согласованной с базовыми расчётами в гидродинамике.
«Это исследование стало кульминацией многолетней работы в этой области, и мы очень рады видеть, как количественный подход к биологической проблеме может дать ответы на фундаментальные вопросы», — сказал доктор Полин.
В отдельной работе под руководством докторов Брамли и Полина группа исследовала динамику тысяч взаимодействующих жгутиков Volvox, которые создают согласованные паттерны, подобные «мексиканской волне» на стадионе, также, по-видимому, управляемые гидродинамическими взаимодействиями между филаментами.
В то же время Ван исследовала «шумное» биение жгутиков водорослей и обнаружила, что они демонстрируют колебания от удара к удару, качественно похожие на колебания в сердцебиении человека. «Вместе взятые, — говорит Голдштейн, — эти результаты указывают на удивительный способ, которым зелёные водоросли могут служить модельными организмами для гидродинамических проблем, связанных со здоровьем и болезнями человека. В данном конкретном случае координация жгутиков играет жизненно важную роль в явлениях — от развития эмбриона до физиологии дыхания, и поэтому поиск механизмов, лежащих в основе синхронизации, может дать понимание на многих фронтах».