Влияют ли упражнения на развитие? В актинии важно то, как вы двигаетесь

Как люди, мы знаем, что активный образ жизни дает нам некоторый контроль над своей формой. Когда мы выходим на тротуар, отслеживаем шаги и идем в спортзал, мы можем поддерживать развитие мышц и уменьшать жировые отложения. Наша физическая активность помогает сформировать нашу физическую фигуру. Но что, если бы мы поддерживали аналогичную аэробику в наших более ранних формах? Возможно ли, что наши эмбрионы также тренировались?

Исследователи из группы EMBL Ikmi обратились к этим вопросам с актиниями, чтобы понять, как поведение влияет на них. форма кузова во время раннего развития. Оказывается, морские анемоны также выигрывают от поддержания активный образ жизни, особенно когда они вырастают из плавающих личинок яйцевидной формы в малоподвижные трубчатые полипы. Эта морфологическая трансформация является фундаментальным переходом в истории жизни многих видов кишечнополостных, в том числе бессмертных медуз и строителей самой богатой и сложной экосистемы нашей планеты — коралловых рифов.

В процессе развития личинки актиний (Nematostella) звёздочек выполняют определённую схему гимнастических движений. Слишком сильная или слишком маленькая мышечная активность или резкое изменение в организации их мышц может привести к отклонению морского анемона от его нормальной формы.

В новой статье, опубликованной в Текущая биология, группа Ikmi исследует, как такое поведение влияет на развитие животных. Обладая опытом в области живой визуализации, вычислительной методологии, биофизики и генетики, междисциплинарная группа ученых превратила 2D- и 3D-живую визуализацию в количественные характеристики для отслеживания изменений в организме. Они обнаружили, что развивающиеся морские анемоны ведут себя как гидравлические насосы, регулируя давление тела посредством мышечной активности и используя гидравлику для формирования личиночной ткани.

«Люди используют скелет, состоящий из мышц и костей, для упражнений. В отличие от них, морские анемоны используют гидроскелет, состоящий из мышц и полости, заполненной водой», — сказал Айссам Икми, руководитель группы EMBL. Те же гидравлические мышцы, которые помогают двигаться развивающимся морским анемонам, также влияют на их развитие. Использование конвейера анализа изображений для измерения длины столбца тела, диаметра, предполагаемого объема и подвижности в большие наборы данныхУченые обнаружили, что личинки Nematostella естественным образом делятся на две группы: медленноразвивающиеся и быстроразвивающиеся личинки. К удивлению ученых, чем активнее личинки, тем дольше они развиваются. «Наша работа показывает, как развивающиеся морские анемоны, по сути, «тренируются» для построения своей морфологии, но похоже, что они не могут использовать свой гидроскелет для движения и развития одновременно», — сказал Икми.

Изготовление микроскопов и строительство воздушных шаров

«При проведении этого исследования было много проблем», — объясняет первый автор и бывший предок EMBL Анниек Стоккерманс, ныне постдоктор в Институте Хубрехта в Нидерландах. «Это животное очень активно. Большинство микроскопов не могут записывать достаточно быстро, чтобы успевать за движениями животного, что приводит к размытым изображениям, особенно когда вы хотите посмотреть на него в 3D. Кроме того, животное довольно плотное, поэтому большинство микроскопов не могут даже видеть наполовину животное».

Чтобы заглянуть глубже и быстрее, Линг Ванг, инженер по применению в группе Prevedel в EMBL, построил микроскоп для захвата живых, развивающихся личинок морских актиний в 3D во время их естественного поведения.

«Для этого проекта Линг специально адаптировал одну из наших основных технологий, оптическую когерентную микроскопию или OCM. Ключевым преимуществом OCM является то, что он позволяет животным свободно перемещаться под микроскопом, обеспечивая при этом четкий и детальный вид внутри и снаружи. 3D», — сказал Роберт Преведель, руководитель группы EMBL. «Это был захватывающий проект, который демонстрирует множество различных интерфейсов между группами и дисциплинами EMBL».

С помощью этого специализированного инструмента исследователи смогли количественно оценить объемные изменения в тканях и полости тела. «Чтобы увеличить свой размер, морские анемоны надуваются, как воздушный шар, забирая воду из окружающей среды», — объяснил Стоккерманс. «Затем, сокращая различные типы мышц, они могут регулировать свою кратковременную форму, подобно тому, как сжимают надутый воздушный шар с одной стороны и наблюдают, как он расширяется с другой стороны. Мы считаем, что это локальное расширение, вызванное давлением, помогает растягивать ткани». поэтому животное постепенно становится более вытянутым. Таким образом, сокращения могут иметь как краткосрочные, так и долгосрочные последствия».

Воздушные шары и морские анемоны

Чтобы лучше понять гидравлику и ее функции, исследователи сотрудничали с экспертами из разных дисциплин. Прачити Моге, предок EMBL в группе Хиираги, измерил изменения давления, вызывающие деформации тела. Кроме того, математик Л. Махадеван и инженер Адити Чакрабарти из Гарвардского университета представили математическую модель для количественной оценки роли гидравлического давления в управлении изменениями формы на системном уровне. Они также разработали усиленные воздушные шары с полосами и лентами, которые имитируют диапазон форм и размеров, наблюдаемых как у нормальных животных, так и у животных с дефектами мышц.

«Учитывая повсеместное распространение гидростатических скелетов в животном мире, особенно у морских беспозвоночных, наше исследование предполагает, что активная мышечная гидравлика играет важную роль в принципе строения мягкотелых животных», — сказал Икми. «Во многих инженерных системах гидравлика определяется способностью использовать давление и поток в механической работе с долгосрочными эффектами в пространстве-времени. Поскольку многоклеточность животных развивалась в водной среде, мы предполагаем, что ранние животные, вероятно, использовали ту же физику. , с гидравликой, управляющей как развитием, так и поведенческими решениями».

Как ранее изучала группа Икми связь между диетой и развитием щупалецэто исследование добавляет новый слой к пониманию того, как развиваются формы тела.

«У нас все еще есть много вопросов в связи с этими новыми открытиями. Почему существуют разные уровни активности? Как клетки точно ощущают и преобразуют давление в результат развития?» Стоккерманс спросила, как она думает, к чему ведет это исследование. «Кроме того, поскольку трубчатые структуры составляют основу многих наших органов, изучение механизмов, применимых к Nematostella, также поможет лучше понять, как гидравлика играет роль в развитии и функционировании органов».