Раскрытие секретов эволюции: ученые обнаружили математическую связь между курами, лягушками и рыбами

Развитие эмбриона уже давно является предметом восхищения и загадок. Как клетки собираются вместе, чтобы сформировать сложные структуры, такие как органы и конечности? Хотя ответы на эти вопросы остаются неуловимыми, ученые добились значительного прогресса в понимании одной важнейшей стадии эмбрионального развития - гаструляции.

Гаструляция - это процесс, в ходе которого клетки эмбриона превращаются из однослойных в многомерные структуры с главной осью тела. У человека это происходит примерно через 14 дней после зачатия. Однако изучение человеческих эмбрионов на этой стадии не представляется возможным. Чтобы решить эту проблему, исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего, Университета Данди (Великобритания) и Гарвардского университета обратились к эмбрионам цыплят, которые имеют много общих черт с человеческими эмбрионами на этой стадии.

Под руководством доцента физики Калифорнийского университета в Сан-Диего Маттиа Серра исследовательская группа использовала подход идеального цикла, сочетающий теоретическую и экспериментальную науку. Серра, теоретик, специализирующийся на сложных биофизических системах, сотрудничал с биологами из Университета Данди, чтобы разработать математическую модель на основе их данных. Эта модель успешно предсказала потоки гаструляции, наблюдаемые под микроскопом у эмбрионов цыплят, что стало первым случаем, когда самоорганизующаяся математическая модель достигла такого результата.

Биологи стремились проверить, может ли модель не только воспроизводить известные экспериментальные данные, но и предсказывать результаты при различных условиях. Команда вносила в модель возмущения, изменяя начальные условия или параметры. Удивительно, но модель генерировала клеточные потоки, которые не наблюдались в естественных условиях у эмбрионов цыплят, но были обнаружены у двух других видов позвоночных: лягушек и рыб.

Чтобы подтвердить эти результаты, коллеги-биологи воспроизвели возмущения в модели в лаборатории, используя эмбрионы цыплят. Удивительно, но у этих манипулируемых эмбрионов наблюдалось течение гаструляции, которое обычно наблюдается у рыб и лягушек.

Результаты исследования, опубликованные в журнале Science Advances, свидетельствуют о том, что физические принципы, управляющие самоорганизацией многоклеточных, могли эволюционировать у разных видов позвоночных. Несмотря на разную среду, в которой живут рыбы, лягушки и птенцы, основные принципы самоорганизации на ранних стадиях гаструляции могут оставаться неизменными.

По словам Серры, "некоторые из основных принципов самоорганизации, по крайней мере на этой ранней стадии гаструляции, могут быть одинаковыми у всех трех видов". Эти выводы открывают новые возможности для изучения других механизмов, способствующих самоорганизации эмбрионов.

Сейчас Серра и его коллеги сосредоточились на изучении дополнительных механизмов, участвующих в развитии эмбриона. Они надеются, что это исследование будет способствовать развитию дизайна биоматериалов и регенеративной медицины, что в конечном итоге улучшит продолжительность жизни и благосостояние человека.