Ученые считают, что морфологическая эволюция основана на механических факторах

Фото из открытых источников

Животные имеют настолько разную форму тела, что кажется, будто природа импровизирует. Медуза совсем не похожа на коралл. Морская анемона тоже ни на то, ни на другое не похожа, хотя все три являются близкими родственниками в одном типе — стрекающих (Cnidaria). 

Традиционная биология обычно в первую очередь обращается к генетике для объяснения этих различий. Но новое исследование утверждает, что гены — это лишь часть истории. Результаты исследования опубликованы в журнале Cell.

По словам исследователей, недостающим звеном является физика, а именно механические свойства тканей в процессе их роста и изменения формы.

Ученые из Европейской молекулярно-биологической лаборатории (EMBL) и Женевского университета предполагают, что разнообразие форм у разных видов можно объяснить вариациями в небольшом наборе механических характеристик тканей. Полученную сигнатуру они называют механотипом вида – своего рода механическим «профилем», который помогает предсказать, какую форму примет организм.

Это современный взгляд на очень старую идею. Более века назад шотландский биолог и математик Д'Арси Томпсон утверждал, что физические законы играют фундаментальную роль в формировании живых организмов. 

Новое исследование не заменяет генетику, но пытается связать её с чем-то более предсказуемым: как ткани изгибаются, растягиваются и генерируют силу в процессе развития.

«Сравнение геномов может выявить генетические различия, связанные с разнообразием форм, но гены не могут рассказать нам, как происходит морфогенез», — сказал соавтор исследования Айссам Икми из EMBL Heidelberg. «Даже имея на руках геном, мы пока не можем предсказать окончательную форму организма».

Даже если два вида генетически схожи, у них могут развиться совершенно разные планы строения тела. Это происходит потому, что морфогенез — процесс, в результате которого эмбрион или личинка превращается в организм определенной формы, — это не просто генетический сценарий. Это физическое представление.

Клетки не развиваются изолированно. Они притягивают друг друга. Они образуют пласты и трубки. Вместе они создают натяжение и давление. Эти силы могут вызывать складки, удлинение или сужение тканей, и такое механическое воздействие может полностью изменить окончательную форму тела.

Икми и его коллеги предположили, что если эволюция порождает различные формы тела, то она может делать это не только путем изменения генов, но и путем изменения того, как клетки взаимодействуют друг с другом в составе ткани – на том уровне, где возникают силы.

«Важно то, как клетки взаимодействуют друг с другом в составе ткани, чтобы генерировать силы и механические ограничения», — сказал Икми. «Если именно здесь происходит морфогенез, то, возможно, именно здесь в ходе эволюции и возникает разнообразие форм».

Книдарии идеально подходят для того, чтобы задавать эти вопросы, потому что их строение тела относительно простое, но при этом чрезвычайно разнообразное. Кроме того, они проходят этапы жизни, на которых происходят резкие изменения формы. 

В общей сложности команда изучила шесть видов книдарий: два вида кораллов, два вида анемонов и два вида гидрозоев. Цель заключалась не в детальном описании каждого вида, а в выяснении того, могут ли несколько механических правил объяснить значительные различия в форме.

Для этого исследованию требовалось нечто большее, чем традиционная биология развития. Необходимы были теоретическая физика и математическое моделирование — инструменты, которые используются, когда есть подозрение, что сложные закономерности могут сводиться к нескольким определяющим параметрам.

Здесь подключились сотрудники Женевского университета. В команду вошли Гийом Сальбре и его научный сотрудник Николя Кюни, а также Ричард Байёль, бывший научный сотрудник EMBL с математическим образованием.

«Важная идея в физике заключается в том, что при описании в правильном масштабе возникающие особенности сложных систем можно понять с помощью моделей, включающих всего несколько ключевых параметров», — сказал Сальбре.

Объединив экспериментальные наблюдения с теоретическим моделированием, команда выявила три ключевых «механических модуля», которые можно комбинировать для объяснения двух основных особенностей формы животных.

Одна из особенностей — удлинение, то есть степень вытянутости или компактности животного вдоль его главной оси тела. Другая — полярность, то есть ширина или сужение верхней части тела животного, где находится рот, по сравнению с основанием. 

У стрекающих это различие в форме ротовой и аборальной частей тела является ключевым фактором, определяющим внешний вид одного вида по сравнению с другим.

Регулируя значения этих механических модулей — почти как поворачивая ручки на панели управления — модель выдавала различные прогнозируемые комбинации удлинения и полярности. Уникальная комбинация настроек ручек для каждого вида называется его механотипом.

«Механические изменения в конечном итоге возникают в результате молекулярных изменений, но именно механотип позволяет на основе этой информации предсказывать форму», — сказал Икми. «Мы считаем, что эволюция воздействует на эти модули, создавая новые формы».

Это тонкий сдвиг в мышлении. Вместо того чтобы говорить: «Этот ген вызывает такую форму», в исследовании говорится: гены важны, потому что они изменяют механические свойства, а именно эти механические свойства определяют предсказуемость формы.

Следующий очевидный вопрос заключается в том, является ли это просто удачным описанием, или же оно действительно может предсказать, что произойдет при изменении состояния системы.

Для проверки этого предположения команда провела эксперименты по «изменению формы» морской анемоны Nematostella. Ее личинки обычно имеют удлиненную форму и узкий ротовой конец. Когда исследователи внесли генетические изменения, затронувшие один из механических модулей, произошло нечто примечательное: личинки стали круглыми, а не вытянутыми.

С полярностью было сложнее. Чтобы изменить асимметрию ротовой полости и основания рта на нечто, напоминающее другой вид, Aiptasia, ученым пришлось одновременно воздействовать на несколько модулей. 

Этот результат важен, поскольку он предполагает, что некоторые аспекты формы могут контролироваться одним доминирующим механическим рычагом, в то время как другие создаются из более сложных комбинаций.

В совокупности эти эксперименты показали, что механотипы — это не просто обозначения. Их можно использовать для количественного прогнозирования и даже манипулирования формой, по крайней мере, в этих модельных организмах.

«Я думаю, что главное достижение этого исследования заключается в демонстрации актуальности рассмотрения морфологической эволюции с точки зрения мезоскопических физических принципов — идеи, предложенной более века назад Д'Арси Томпсоном, которую наше исследование теперь воплощает в жизнь», — сказал Кюни.

Значительная часть основной идеи статьи посвящена сотрудничеству. Экспериментаторы обладали глубокими знаниями в области развития и морфогенеза книдарий. Теоретики свели необходимые инструменты моделирования к небольшому набору значимых параметров, позволяющих свести сложную биологическую изменчивость к одному небольшому набору параметров.

«Сотрудничество между теоретиками и экспериментальными биологами идеально подходит, когда их объединяет энтузиазм по поводу задаваемого вопроса», — сказал Сальбре. «В данном случае это было так: обе команды интересовались общим вопросом вариативности формы».

Икми подчеркнул, что это не ситуация «теоретическая группа плюс биологическая группа», а действительно совместный проект, где моделирование определяло эксперименты, а эксперименты определяли моделирование.

Команда планирует расширить рамки исследования за пределы личиночной стадии, включив в них стадию полипа в жизненном цикле книдарий, а также больше видов. Это важно, потому что настоящая проверка любого «принципа» в биологии заключается в том, насколько он подтверждается при расширении кругозора.

Если это так, то механотипы могут стать новым способом осмысления морфологической эволюции — не как бесконечного списка генетических деталей, а как изменений в небольшом наборе механических правил на уровне тканей, которые эволюция может корректировать для создания новых форм.

В некотором смысле, это удачный мост между двумя мирами: генетика дает исходные инструкции, а физика помогает объяснить, как эти инструкции формируют тело, которое вы можете реально узнать.