Роль поверхностного натяжения в биологической симметрии

Исследователи из EPFL обнаружили, что симметрия в человеческом теле зависит от поверхностного натяжения — того же механического явления, которое позволяет легким насекомым ходить по воде. Статья об этом удивительном открытии, которое подобно форме естественной самокоррекции, опубликована в журнале Nature.

У позвоночных конечности аккуратно выровнены по обе стороны туловища. Хотя эта симметрия может казаться естественной, упорядоченная структура, характерная для каждого вида, — результат сложных процессов во время формирования эмбриона. Учёные EPFL показали, как поверхностное натяжение — чисто механическая сила — влияет на конечное положение и продольную симметрию сомит, эмбриональных строительных блоков, из которых развиваются зачатки конечностей. Эта же сила отвечает за округлую форму воды в стакане и капель росы на листе. Открытие даёт новое понимание ранних стадий жизни, впервые демонстрируя, как поверхностное натяжение, присутствующее во всех эмбриональных тканях, управляет ключевым процессом в развитии позвоночных.

Достижение симметрии независимо от факторов среды

Сомиты — крошечные блочные структуры, появляющиеся слева и справа от нервной трубки, предшественницы центральной нервной системы. Они формируются ритмично и последовательно вдоль оси тела на ранних стадиях развития эмбриона. Эти миниатюрные выступы — начало опорно-двигательной системы, дающее начало сегментированным симметричным рёбрам, позвонкам и связанным с ними мышцам, что характерно для всех позвоночных. Долгое время считалось, что точная симметрия сомитов обусловлена действием генетического осциллятора — так называемых часов сегментации. Однако это устоявшееся представление оказалось ошибочным.

«Иногда сомиты изначально формируются с неравной длиной и асимметричной формой на двух сторонах», — объясняет постдок Sundar Naganathan из лаборатории Timing, Oscillations, and Pattern в EPFL. Учёные исследовали, как эта вариация на ранней стадии в итоге приводит к симметрии тела. «Мы показали, что симметрия — это эмерджентное свойство», — говорит Naganathan.

Форма меняется, но объём остаётся прежним

Учёные использовали различные методы визуализации для изучения эмбрионов рыбки данио. Они наблюдали процесс быстрой самокоррекции неточного паттерна: примерно через час после формирования сомиты выравниваются по длине и распределению по обе стороны нервной трубки. «Мы также обнаружили, что, хотя их длина меняется, объём этих крошечных структур остаётся постоянным, — добавляет Naganathan. — По мере изменения длины их высота и ширина корректируются для компенсации». Эти наблюдения привели к выводу, что изменения могут управляться поверхностным натяжением — физико-химическим свойством, общим для всех эмбриональных тканей и связанным со взаимодействием жидкости со средой. Для поддержания сцепления между одинаковыми молекулами те, что на поверхности, имеют немного больше энергии. Система стремится к стабильной конфигурации с минимальными энергозатратами. Это, в свою очередь, заставляет поверхностный слой сжиматься и выгибаться.

Использование автоматических алгоритмов для анализа терабит данных

Naganathan и его коллеги провели серию экспериментов in vivo и in vitro, чтобы доказать связь между поверхностным натяжением и симметрией в живых организмах. Например, в одном эксперименте они наблюдали, как выращенные в лаборатории сомиты принимают такую же округлую форму, как капли росы на листе. Но даёт ли поверхностное натяжение достаточную силу для восстановления длины этих структур? Благодаря нарушениям, вызванным белками, известными своим влиянием на поверхностное натяжение, команда показала, что сомиты перестали быть одинаковой длины. На следующем этапе исследования они использовали компьютерное моделирование для сравнения и проверки разных моделей, разработав автоматические алгоритмы для анализа нескольких терабит данных визуализации. «Наши результаты, указывающие на роль механики тканей в точности их форм и размеров, могут быть применены к системам органоидов, где достижение точных форм тканей остаётся нерешённой проблемой», — добавляет Naganathan.

Поверхностное натяжение, вероятно, действует и в других живых организмах

Все наблюдения команды указывали в одном направлении. «Мы пришли к выводу, что поверхностное натяжение может способствовать коррекции ошибок в длине и симметрии», — говорит Naganathan. Хотя исследование было сосредоточено на эмбрионах данио, выводы могут иметь универсальное значение. «Тот факт, что поверхностное натяжение характерно для развивающихся тканей всех видов, предполагает, что этот процесс самокоррекции может происходить и у других позвоночных», — объясняет он.

Учёные планируют продолжить исследования, чтобы ответить на другие нерешённые вопросы о происхождении симметрии тела. Например, продемонстрировав влияние поверхностного натяжения на форму и симметрию этих элементарных строительных блоков, команда ещё должна понять, как и почему конечности равного размера развиваются по обе стороны туловища. «Это наша следующая большая задача», — говорит Naganathan. Их исследование может пролить свет на другие интересные вопросы, например, почему относительно удалённые органы, такие как глаза и уши, симметричны по форме, и как симметрия тела в целом согласуется с асимметричным расположением других органов, таких как сердце и желудок.