Синхронное плавание водорослей

Ученые Кембриджского университета с помощью высокоскоростной киносъемки обнаружили, что отдельные клетки водорослей могут регулировать биение своих жгутиков, переключаясь между синхронным и несинхронным режимами, что контролирует траекторию их движения. Исследование было опубликовано 24 июля в журнале Science.

Исследователи изучали одноклеточный организм Chlamydomonas reinhardtii, который имеет два жгутика. Их биение продвигает клетку через жидкость и одновременно заставляет ее вращаться вокруг оси.

Было обнаружено, что клетки могут бить жгутиками в двух принципиально разных режимах:

• Синхронизированный — с почти идентичными частотами и положениями.
• Несинхронизированный — с двумя разными частотами.

Специальная установка для отслеживания траекторий отдельных клеток показала, что:

• Периоды синхронности соответствуют движению почти по прямой линии.
• Резкие повороты происходят из-за асинхронного биения.

В отличие от прежних предположений о разных субпопуляциях клеток, новая работа показывает, что клетки сами контролируют частоты и переключаются между двумя режимами. По сути, это означает, что у Chlamydomonas есть две «передачи».

Кроме того, исследователи разработали математический анализ, описывающий два бьющихся жгутика как «связанные осцилляторы», аналогично моделям синхронного мигания светлячков или «мексиканской волны» на стадионе. Анализ терабайтов данных показал, что сила связи согласуется с ее возникновением из-за потоков жидкости, создаваемых биением жгутиков. Это первое прямое доказательство того, что за синхронизацию ответственны гидродинамические взаимодействия, что давно предсказывалось теорией.

Профессор Рэймонд Э. Голдштейн, ведущий автор исследования, сказал: «Эти результаты указывают на то, что синхронизация жгутиков — гораздо более сложная проблема, чем считалось, и включает тонкое взаимодействие клеточной регуляции, гидродинамики и биохимического шума».

Работа, финансируемая Советом по биотехнологическим и биологическим исследованиям (BBSRC), является частью более масштабных усилий по изучению эволюционных переходов от одноклеточных организмов (таких как Chlamydomonas) к многоклеточным. Кроме того, жгутики Chlamydomonas почти идентичны ресничкам в теле человека. Скоординированное действие ресничек играет решающую роль во многих процессах жизни — от размножения до дыхания. Поэтому понимание синхронизации и ее контроля может иметь важное значение для здоровья человека и изучения болезней.