Та же сила притяжения, которая вызывает «слёзы» в бокале вина, также формирует эмбрионы. Это ещё один пример того, как гены используют механические силы для роста и развития.
Пауза Видео: Марк Белан и Майкл Каньянголо/Quanta Magazine Сохранить эту историю Сохранить эту историю
Оригинальная версия этой истории была опубликована в журнале Quanta Magazine.
Отхлебните вина, и вы заметите, как жидкость непрерывно стекает по влажной стенке бокала. В 1855 году Джеймс Томсон, брат лорда Кельвина, объяснил в журнале «Philosophical Magazine», что эти «слёзы» или «ножки» вина возникают из-за разницы поверхностного натяжения спирта и воды. «Этот факт даёт объяснение нескольким весьма любопытным движениям», — писал Томсон. Он и представить себе не мог, что тот же эффект, позже названный эффектом Марангони, может влиять и на развитие эмбрионов.
В марте группа биофизиков из Франции сообщила, что эффект Марангони отвечает за поворотный момент, когда однородный сгусток клеток удлиняется и развивает ось «голова и хвост» — первые определяющие черты будущего организма.
Это открытие является частью тенденции, которая бросает вызов общепринятым в биологии. Обычно биологи пытаются охарактеризовать рост, развитие и другие биологические процессы как результат химических сигналов, запускаемых генетическими инструкциями. Но эта картина часто казалась неполной. Исследователи всё больше осознают роль механических сил в биологии: сил, которые толкают и тянут ткани в ответ на их материальные свойства, управляя ростом и развитием способами, недоступными генам.
Современные методы визуализации и измерения открыли учёным глаза на эти силы, наполнив область данных, которые позволяют проводить механистическую интерпретацию. «За последние десятилетия действительно изменилась возможность наблюдать за происходящим вживую и понимать механизмы с точки зрения движения клеток, их перестройки и роста тканей», — сказал Пьер-Франсуа Ленн из Университета Экс-Марсель, один из авторов недавнего исследования.
Переход к механистическим объяснениям возродил интерес к догенетическим моделям биологии. Например, в 1917 году шотландский биолог, математик и исследователь античности Д’Арси Томпсон опубликовал работу «О росте и форме», в которой подчёркивал сходство между формами, наблюдаемыми у живых организмов, и формами, возникающими в неживой материи. Томпсон написал эту книгу как противоядие от, по его мнению, чрезмерной тенденции объяснять всё в терминах дарвиновского естественного отбора. Его тезис о том, что физика также формирует нас, снова входит в моду.
Покадровая съемка гаструлоида, развивающего ось «голова-хвост».
Видео: Шам Тлили/CNRS«Гипотеза заключается в том, что физика и механика могут помочь нам понять биологию на уровне тканей», — сказал Александр Кабла, физик и инженер из Кембриджского университета.
Теперь задача состоит в том, чтобы понять взаимодействие причин, где гены и физика каким-то образом действуют рука об руку, формируя организмы.
Расти по течению
Механические модели роста эмбрионов и тканей не новы, но у биологов долгое время не было способов проверить эти идеи. Увидеть эмбрионы сложно: они малы и рассеивают свет во всех направлениях, словно матовое стекло. Однако новые методы микроскопии и анализа изображений открыли более чёткое представление о развитии.
Ленн и его коллеги применили некоторые из новых методов для наблюдения за движением клеток внутри гаструлоидов мышей: пучков стволовых клеток, которые по мере своего роста имитируют ранние стадии роста эмбриона.
Шам Тлили (слева), Пьер-Франсуа Ленн (справа) и их коллеги из Университета Экс-Марсель Саймон Гзелль и Маттиас Меркель раскрыли закономерность течения, подобную Марангони, которая наблюдается на ранних стадиях эмбриогенеза.
Фотография предоставлена Пьером-Франсуа Ленном.Их наблюдения показали, что клетки поднимаются по бокам гаструлоида, а затем формируют поток ткани, текущий по центру. Ленне эта система напомнила ему каплю, и, изучая литературу о поверхностном натяжении в движущейся капле, он наткнулся на эффект Марангони.
Описание эффекта Марангони Джеймсом Томсоном в 1855 году объясняло, как при встрече двух жидкостей с разным поверхностным натяжением жидкость с более высоким поверхностным натяжением будет притягивать другую. Это происходит потому, что поверхностное натяжение — это всего лишь тенденция самых внешних молекул в жидкости втягиваться внутрь соседними молекулами. Когда встречаются две жидкости, жидкость с более высоким поверхностным натяжением будет иметь более сильное притяжение, поэтому жидкость с более низким натяжением будет двигаться в направлении жидкости с более высоким натяжением. В бокале для вина спирт на смоченных стенках бокала быстро испаряется, оставляя более водянистую жидкость. Вода имеет более высокое поверхностное натяжение, чем спирт, поэтому водянистые стенки тянут вино в бокале к верхней части смоченной области. В конце концов оно капает вниз под собственным весом, образуя «слезы».
Этот поток вина вверх по стенкам и обратно вниз аналогичен потоку ткани в гаструлоиде. Действительно, когда команда протестировала модель потока ткани гаструлоида по типу Марангони, они обнаружили, по их мнению, поразительное совпадение с их экспериментальными данными.
Фотография: Марк Белан/Журнал Quanta; Источник: Пьер-Франсуа Ленн.Течение Марангони — это механический эффект, но гены тоже участвуют: они устанавливают разницу поверхностного натяжения. Сначала гены производят более высокую концентрацию двух определенных белков в одной части капли клеток. Эти белки приводят к более низкому поверхностному натяжению, и поэтому ткань оттекает от этой области. Ткань движется по периферии гаструлоида, прежде чем рециркулировать по его центру — точно так же, как винные слезы стекают обратно по стенке бокала. Этот процесс удлиняет гаструлоид. Это «очень хороший пример того, как механика в сочетании со всей внутренней сложностью молекулярной и клеточной биологии играет очень важную роль в формировании организмов», — сказал Кабла.
Чешуя пера
В 2017 году Алан Родригес и Эми Шайер не смогли найти то, что искали. Они, соруководители Лаборатории морфогенеза Рокфеллеровского университета, пытались понять, как формируется равномерное расположение перьев у птиц. В то время была популярна теория, согласно которой эмбрионы птиц выделяют в кожную ткань особые молекулы, называемые морфогенами. Эти морфогены затем запускают гены, вырабатывающие белки в нужных местах для формирования фолликулов. Однако исследователям не удалось найти генетический сигнал, который мог бы запустить этот процесс.
Эми Шайер и Алан Родригес, соруководители Лаборатории морфогенеза Рокфеллеровского университета, сосредоточились на роли механики в формировании перьевых фолликулов птиц.
Фотографии: предоставлены Эми Шайер; предоставлены Аланом Родригесом.Они пришли к выводу, что значительную роль играют механические и растягивающие силы. В отчёте, опубликованном в журнале Science в 2023 году, их команда обнаружила, что морфогены действительно секретируются непосредственно перед началом формирования перьевого фолликула. Однако морфогены, по-видимому, не влияли на развитие на уровне отдельных клеток. Вместо этого они влияли на более крупные участки ткани. Морфогены влияли на свойства материала ткани, создавая условия для того, чтобы механические силы толкали и тянули ткань, формируя структуру фолликула.
«Нас действительно поразило то, что можно обойтись относительно простым набором инструкций на генетическом и молекулярном уровне, — сказал Родригес. — Потому что на других уровнях происходят дополнительные процессы и возникают новые свойства».
Для Родригеса главный вопрос заключается в том, как различные процессы взаимодействуют на разных уровнях длины, от генов до клеток и тканей. Дело не в том, что всё начинается с самых малых масштабов и развивается оттуда. В случае развития перьевых фолликулов птиц изменения на молекулярном и тканевом уровнях возникают одновременно. Работа «бросает вызов общепринятому представлению во многих областях биологии», — сказал Родригес, — «о том, что регуляция или причинно-следственная связь возникают на молекулярном уровне, а затем распространяются на более высокие уровни, определяя такие высокоуровневые свойства, как форма».
Приступая к действию
Некоторые белки действительно влияют на свойства материалов внутри отдельных клеток, создавая условия для действия механических сил на этом уровне. Например, во время эмбриогенеза плодовой мушки клетки эмбриона не просто перестраиваются; Кабла и его соавторы обнаружили, что клетки также растягиваются. Это растяжение, по-видимому, напрямую связано с активностью генов, что приводит к любопытной характеристике эластичности клеток.
Возьмём пружину или эластичный материал, например, резинку. Материал будет растягиваться пропорционально приложенной силе. Это соотношение известно как закон Гука и справедливо в общем случае. За исключением случаев, когда растягиваемый объект находится в вязкой жидкости, в этом случае величина растяжения также зависит от времени. (Вспомните перемешивание патоки: её трудно перемешивать быстро.)
Иллюстрации из книги Д'Арси Томпсона «О росте и форме» 1917 года.
Фотография: общественное достояние .Биологические организмы, по-видимому, также подвержены этой зависимости от времени. Несколько групп исследователей измерили растяжение некоторых клеток эмбриона плодовой мушки и обнаружили, что их удлинение зависит от квадратного корня времени приложения силы. Возникает вопрос: откуда берётся такое поведение?
В статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters в июне, Константин Дубровинский и его коллеги из Юго-Западного медицинского центра Техасского университета объясняют это явление выработкой актина, одного из самых распространённых белков в этих клетках. Они предполагают, что актиновые филаменты при выработке фактически натягивают клетку подобно пружинам, создавая сопротивление силе, растягивающей клетки, и обуславливая наблюдаемое поведение.
Дубровинский и его команда подтвердили роль актина, повторив эксперимент с препаратами, препятствующими сборке актинового белка. «По сути, упругий ответ практически полностью исчезает», — сказал он.
Кабла говорит, что, хотя исследование убедительно доказывает, дискуссия о растягивающемся поведении продолжается. Он отмечает, что одна из задач биологии — выяснить, что является причиной, и является ли данное явление ключевым фактором изменений, способствующим фактором или незначительным следствием.
Эти вопросы перекликаются с аналогичными дебатами о биологическом значении геометрических сходств, каталогизированных Д’Арси Томпсоном более 100 лет назад. Однако центральный аргумент Томпсона о том, что эти геометрические формы являются результатом действия физических сил, выдерживает современную критику.
«Многим из нас, — сказал Кабла, — кажется естественным, что там, где есть движение, скорее всего, задействована механика».
Оригинальная статья перепечатана с разрешения журнала Quanta Magazine, редакционно-независимого издания Фонда Саймонса, миссия которого заключается в повышении уровня понимания науки среди общественности путем освещения научных разработок и тенденций в области математики, физических и биологических наук.
Источник: www.wired.com
