Предоставлено: Федеральная политехническая школа Лозанны.

У позвоночных руки, ноги, плавники и крылья аккуратно выровнены по обеим сторонам туловища. Хотя эта симметрия может показаться ничем не примечательной и совершенно естественной, упорядоченная структура, характерная для каждого вида, на самом деле является результатом ряда сложных процессов, происходящих во время формирования зародыша. В статье ученые EPFL показывают, как поверхностное натяжение — полностью механическая сила — влияет на конечное положение и продольную симметрию сомитов, эмбриональных строительных блоков, которые вызывают развитие зачатков конечностей. Та же известная сила стоит за округлой формой воды на верхушке стакана и капелек росы на листе. Открытие группы дает новое представление о ранних стадиях жизни, впервые демонстрируя, как поверхностное натяжение, которое возникает во всехэмбриональные ткани, управляют ключевым процессом в развитии позвоночных.

Достижение симметрии независимо от факторов окружающей среды

Сомиты представляют собой крошечные блочные структуры, которые появляются на левой и правой сторонах нервной трубки, предшественника центральной нервной системы. Они формируются ритмично и последовательно вдоль оси тела на ранних стадиях развития эмбриона. Эти крошечные выпуклости являются началом скелетно-мышечной системы, дающей начало лево-правым симметричным сегментированным ребрам, позвоночникам и связанным с ними мышцам, общей черте всех позвоночных. Долгое время считалось, что сомиты обязаны своей удивительно точной конечной лево-правой симметрией действию генетического осциллятора, так называемых часов сегментации. Однако этот взгляд из учебника оказался неверным.

«Иногда сомиты изначально формируются с двух сторон, они неодинаковы по длине и асимметричны по форме», — объясняет Сундар Наганатан, научный сотрудник лаборатории синхронизации, колебаний и паттернов EPFL. В своем исследовании ученые намеревались понять, как это изменение на ранней стадии в конечном итоге приводит к симметрии тела. «Мы продемонстрировали, что симметрия — это эмерджентное свойство», — говорит Наганатан.

Форма меняется, но объем остается прежним.

Ученые использовали различные методы визуализации для изучения эмбрионов рыбок данио. Они наблюдали процесс, при котором этот неточный паттерн быстро самокорректируется, при этом сомиты выравниваются по длине и распределению по обеим сторонам нервной трубки примерно через час после образования. «Мы также обнаружили, что хотя их длина меняется, объем этих крошечных структур остается прежним», — добавляет Наганатан. «По мере изменения длины их высота и ширина корректируются, чтобы компенсировать это». Эти первоначальные наблюдения привели исследователей к выводу, что эти изменения могут быть вызваны поверхностным натяжением — физико-химическим свойством, общим для всех эмбриональных тканей и связанным с тем, как жидкость взаимодействует с окружающей средой. Чтобы поддерживать сцепление между идентичными молекулами, молекулы на поверхности имеют немного больше энергии. Эта структура системы движется к устойчивой конфигурации, которая затрачивает наименьшее количество энергии. Это, в свою очередь, вызываетповерхностный слой сокращаться и вздуваться.

Использование автоматизированных алгоритмов для анализа терабитов данных

Наганатан и его коллеги провели серию экспериментов in vivo и in vitro, чтобы доказать связь между поверхностным натяжением и симметрией в живых организмах. В одном из экспериментов, например, они заметили, что выращенные в лаборатории сомиты приобретают такой же округлый вид, как капли росы на листе. Но обеспечивает ли поверхностное натяжение достаточную силу для восстановления длины этих структур? Благодаря нарушениям, вызванным белками, которые, как известно, влияют на поверхностное натяжение, команда продемонстрировала, что сомиты больше не имеют одинаковой длины. Поэтому на следующем этапе своего исследования они использовали методы компьютерного моделирования для сравнения и обзора различных моделей, разрабатывая автоматизированные алгоритмы для просеивания и анализа нескольких терабит данных изображений."

Поверхностное натяжение, вероятно, влияет и на другие живые организмы.

Все наблюдения группы указывали в одном направлении. «Мы пришли к выводу, что поверхностное натяжение может облегчить исправление ошибок длины и симметрии», — говорит Наганатан. Хотя исследование было сосредоточено конкретно на эмбрионах рыбок данио, результаты могут иметь универсальное значение. «Тот факт, что поверхностное натяжение является общим для развивающихся тканей у всех видов, предполагает, что этот процесс самокоррекции может происходить и у других позвоночных», — объясняет он.

Ученые планируют продолжить свои исследования, пытаясь найти ответы на другие оставшиеся без ответа вопросы о происхождении симметрии тела. Например, продемонстрировав, как поверхностное натяжение влияет на форму и симметрию этих элементарных строительных блоков, команде все еще необходимо понять, как и почему конечности одинакового размера развиваются с обеих сторон туловища. «Это наша следующая большая задача, — говорит Наганатан. Их исследование может пролить свет на другие интересные вопросы, например, почему относительно удаленные органы, такие как глаза и уши, имеют симметричную форму, и как симметрия тела в целом координируется с асимметричным расположением других органов, таких как сердце и желудок.