Первичный набор механизмов развития, общий для всех позвоночных и описанный теорией математика Алана Тьюринга, задаёт схему роста всех типов кожных структур. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже
Изображение целого детёныша кошачьей акулы, окрашенное для демонстрации узора из зубчиков, напоминающих «кожистые зубы». Два параллельных ряда возле спинного плавника показывают место начала развития зубчиков. Затем зубчики распространяются по всему телу, подобно механизму Тьюринга.
Введение
В 1952 году, задолго до того, как специалисты по биологии развития начали говорить о Hox-генах и факторах транскрипции, и даже понимать структуру ДНК, у Алана Тьюринга возникла идея. Знаменитый математик, ускоривший окончание Второй мировой войны, взломав код «Энигмы», обратился к природе и разработал элегантную математическую модель формирования узоров. Его теория описывала, как бесконечное разнообразие полос, пятен и чешуек может возникнуть в результате взаимодействия двух простых гипотетических химических агентов, или «морфогенов».
Прошли десятилетия, прежде чем биологи всерьёз задумались о том, что эта математическая теория действительно может объяснить множество биологических закономерностей. Развитие волос у млекопитающих, перьев у птиц и даже гребней на нёбе — всё это происходит благодаря механизмам, подобным законам Тьюринга.
Теперь к этому списку можно добавить дентиклы – зубовидные выросты, покрывающие кожу акул. Исследователи из Университета Флориды недавно обнаружили, что формирование акульих дентиклов происходит по механизму, подобному механизму Тьюринга, управляемому теми же генами, которые отвечают за формирование рисунка перьев. По словам Гарета Фрейзера, исследователя, возглавлявшего исследование, работа предполагает, что развивающиеся эмбрионы различных видов позвоночных формируют узоры в своих внешних слоях тканей одинаковым образом – механизм формирования узоров, «который, вероятно, эволюционировал вместе с первыми позвоночными и с тех пор практически не изменился».
«Прелесть этой работы в том, что она показывает, что этот механизм может быть очень устойчивым при формировании чего угодно, от акульих зубцов до птичьих перьев», — сказал Александр Шир, специалист по биологии развития из Гарварда, не принимавший участия в исследовании. Это исследование подтверждает растущую тему в биологии развития: «природа склонна изобретать что-то однажды, а затем разыгрывать вариации на эту тему», — сказал Шир.
Модель Тьюринга, называемая механизмом реакции-диффузии, удивительно проста. Она требует всего двух взаимодействующих агентов: активатора и ингибитора, которые диффундируют через ткань подобно чернилам, капающим в воду. Активатор инициирует некий процесс, например, образование пятна, и способствует его образованию. Ингибитор останавливает оба процесса. Важно отметить, что ингибитор распространяется через ткань быстрее, чем активатор. Эта более быстрая диффузия ингибитора предотвращает распространение очагов активации. В зависимости от того, когда и где именно высвобождаются активатор и ингибитор, очаги активации будут располагаться в виде регулярно расположенных точек, полос или других узоров.
Крупный план похожих на зубы зубчиков на теле детеныша акулы показывает, как они покрывают тело, словно чешуя.
Сканирование зубцов на голове молодой акулы выявляет закономерность Тьюринга в их расположении.
Крупный план зубчатых отростков на детёныше акулы (слева) показывает, как они покрывают тело, словно чешуя. Сканирование зубчатых отростков на голове молодой акулы (справа) выявляет закономерность Тьюринга в их расположении.
Кэтрин Бойсверт, специалист по биологии развития из Университета Кёртина в Австралии, объясняет, что эта система активации-торможения — мощный мотив развития. Если вы пытаетесь построить полностью сформированную структуру, такую как перо или зубец, «перенасыщения быть не может», — сказала она. «Без промежутков между ними вы никогда не получите отдельного образования».
По словам Шира, модель Тьюринга вдохновляет специалистов по биологии развития, поскольку «несмотря на свою простоту, она может объяснить множество разнообразных закономерностей». Однако на практике очень немногие примеры закономерностей в природе были однозначно связаны с механизмом, подобным модели Тьюринга.
Два таких примера можно найти в закономерностях, определяющих расположение волосяных фолликулов у мышей и перьев у цыплят. У развивающегося цыплёнка протоперья появляются последовательно, образуя одну прямую линию вдоль его спины. Этот начальный ряд стимулирует образование параллельных рядов, которые каскадом спускаются по бокам эмбриона, пока он не покроется. Важно то, что исследователи знают молекулы, выполняющие функции активатора и ингибитора, что подтверждает сходство этого процесса с процессом Тьюринга.
Рори Купер, аспирант лаборатории Фрейзера, считал, что зубцы акул развиваются схожим образом. Однако акулы и их родственники, скаты, отделились от остальных позвоночных 450 миллионов лет назад.
«Они занимают очень интересное место на древе жизни», — сказал Купер, объясняя, что акулы позволяют взглянуть на раннее развитие позвоночных. За сотни миллионов лет до того, как у млекопитающих появились волосы, а у птиц — перья, у акул были зубчатые «чешуйки», покрывавшие их кожу словно броня. (Они являются древнейшей ныне живущей линией позвоночных с любым видом кожных придатков.) Узоры, формы и функции зубцов разнообразны: плотно перекрывающиеся зубцы обеспечивают некоторым акулам дополнительную защиту, в то время как более редкие и гладкие узоры уменьшают сопротивление для более проворных акул. У некоторых видов акул зубцы даже являются домом для биолюминесцентных бактерий, которые способствуют общению. Тем не менее, несмотря на некоторые незначительные различия, сходство в развитии зубцов, волос и перьев неоспоримо.
Чтобы продемонстрировать, что формирование зубчатых структур акул в принципе может быть обусловлено механизмом, подобным механизму Тьюринга, коллеги Фрейзера построили математическую модель взаимодействия активаторов и ингибиторов. Они экспериментировали с диффузией, синтезом и деградацией двух морфогенов, пока модель не дала закономерности, соответствующие закономерностям развития кожи акулы. «Модель показала нам, что теоретически механизм, подобный механизму Тьюринга, может объяснить формирование узоров у акул», — сказал Купер.
Расположение зубцов на окрашенном эмбрионе акулы (вверху) точно соответствует рисунку, полученному исследователями с помощью математической модели Тьюринга.
Расположение зубцов на окрашенном эмбрионе акулы (слева) точно соответствует рисунку, полученному исследователями с помощью математической модели Тьюринга.
Молекулярные основы развития зубцов, в отличие от перьев, были неизвестны. Однако, учитывая сходство в развитии, гены кур оказались хорошей отправной точкой. Когда Купер использовал гибридизацию in situ, метод, позволяющий выявить экспрессию генов в развивающихся тканях, он обнаружил, что одни и те же гены активируются во время формирования рисунка как у кур, так и у акул. «Эти гены не только экспрессируются при появлении [зубцов], но и экспрессируются в тех же слоях ткани, что свидетельствует о довольно сильной консервативности», — сказал Купер.
Демонстрация схожей экспрессии генов для схожих процессов — хороший первый шаг, но золотым стандартом доказательства в биологии развития является эксперимент с нокдауном: если снизить или устранить экспрессию гена, и узор исчезнет, этот ген должен играть важную роль в его формировании. Для этого Купер наполнил крошечные бусины химическим веществом, ингибирующим активатор перьев цыплёнка. Затем он имплантировал бусины рядом с прото-зубчиками в эмбрион акулы и наблюдал за её ростом.
Результаты оказались очевидными. Бусины, предназначенные для подавления экспрессии генов-активаторов у птиц, смогли преодолеть сотни миллионов лет эволюции и оказать аналогичный эффект у акул. Купер обнаружил, что экспрессия генов-активаторов резко падала рядом с бусинами, образуя плоскую «мёртвую зону», лишённую зубчиков.
«Результаты этих манипуляций действительно дают веские основания полагать, что этот механизм глубоко консервативен», — сказал Шир.
Чтобы проверить, способен ли механизм Тьюринга создавать широкий спектр зубчатых узоров, наблюдаемых у других акул и их сородичей, исследователи изменили скорости образования, распада и диффузии активатора и ингибитора в своей модели. Они обнаружили, что относительно простые изменения могут создавать узоры, соответствующие большей части разнообразия, наблюдаемого в этой линии. Например, у скатов зубчатая структура, как правило, менее выражена; увеличивая скорость диффузии или уменьшая скорость распада ингибитора, исследователи могли добиться появления более выраженных узоров.
Как только начальный узор сформирован, другие, не связанные с Тьюрингом механизмы завершают преобразование этих рядов в полностью сформированные зубчики, перья или другие эпителиальные придатки. «У нас есть эти глубоко консервативные главные регуляторные механизмы, которые действуют на ранних этапах развития этих придатков, — пояснил Бойсверт, — но затем вступают в действие видоспецифичные механизмы, совершенствуя эту структуру». Тем не менее, Бойсверт подчеркнул, насколько удивительно, что механизм, лежащий в основе стольких различных биологических узоров, был теоретически сформулирован «математиком без биологического образования, в то время, когда молекулярная биология была мало изучена».
Механизмы Тьюринга теоретически не являются единственными способами создания закономерностей, но природа, по-видимому, отдаёт им предпочтение. По мнению Фрейзера, зависимость от этого механизма столь многих обширных групп организмов предполагает наличие какого-то ограничения. «Просто может быть не так много способов создать закономерность», — сказал он. Как только возникает система, особенно такая простая и мощная, как механизм Тьюринга, природа следует за ней, не оглядываясь назад.
«Биологическое разнообразие в целом основано на довольно ограниченном наборе принципов, которые, по-видимому, работают и многократно используются в эволюции», — сказал Фрейзер. Природа, при всей своей неуёмной изобретательности, может быть более консервативна, чем мы думали.
Эта статья была перепечатана на испанском языке на сайте Investigacionyciencia.es .
Источник: www.quantamagazine.org
