Разнообразие цветов, форм и рисунков рыб завораживает. Несмотря на такое разнообразие, общая черта, которую мы можем наблюдать у рыбы, такой как лосось или тунец, когда их подают в таком блюде, как суши, - это отчетливые V-образные узоры на их мясе. Хотя это, по-видимому, генетически наблюдается в расположении мышц большинства видов рыб, то, как возникает такой общий V-образный рисунок, вызывает недоумение.
Группа исследователей из Института механобиологии (MBI) Национального университета Сингапура (NUS) изучила науку, лежащую в основе формирования V-образных узоров, также известных как шевронные узоры, в плавательных мышцах рыб.. Исследование было сосредоточено на миотоме (группе мышц, обслуживаемых корешком спинномозгового нерва), который составляет большую часть тела рыбы. Эти рыбьи мышцы обеспечивают движение рыбы из стороны в сторону, а шевронный узор, как полагают, повышает эффективность плавания. Исследовательская группа обнаружила, что эти паттерны не просто возникают из-за генетических инструкций или биохимических путей, но на самом деле требуют физических сил для правильного развития. Результаты исследования были опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 26 ноября 2019 года.
Трение и напряжение в совокупности формируют паттерны в мышцах рыбы
Шевронный рисунок характерен не только для лосося и тунца; он также присутствует у других видов рыб, таких как рыбки данио, а также у некоторых видов земноводных, таких как саламандры и лягушки, во время развития. Форма «V» впервые появляется в сомитах - предшественниках строительных блоков миотома, который формирует скелетные мышцы. Сомиты обычно образуются в течение первых нескольких дней развития или морфогенеза рыб.
Группа ученых под руководством научного сотрудника MBI доктора Шама Тлили и главного исследователя доцента Тимоти Сондерса изучала формирование шевронов в миотоме эмбрионов рыбок данио. Первоначально каждый будущий развивающийся сегмент миотома имеет форму куба. Однако в течение пяти часов он деформируется в заостренную букву «V». Чтобы выяснить, как на самом деле происходит эта деформация, команда использовала комбинацию различных методов: визуализацию развивающегося миотома рыбок данио с разрешением одной клетки; количественный анализ данных визуализации; и сопоставление количественных данных с биофизическими моделями.
Основываясь на результатах своих экспериментальных, а также теоретических исследований, ученые MBI определили определенные физические механизмы, которые, по их мнению, могут управлять формированием шевронов во время развития рыб.
Во-первых, развивающиеся миотомы физически связаны с другими эмбриональными тканями, такими как нервная трубка, хорда, кожа и вентральные ткани. Сила их связи с этими различными тканями варьируется в разные моменты времени формирования миотома, и, соответственно, в ткани возникает различное количество трения. По сути, боковые области развивающегося миотома испытывают большее трение, чем центральная область. По мере того, как новые сегменты толкают миотом вперед, это приводит к образованию неглубокой буквы «U» в ткани миотома.
Во-вторых, клетки будущего миотома начинают удлиняться по мере формирования мышечных волокон. Исследовательская группа обнаружила, что этот процесс трансформации создает активную, неравномерную силу в определенных направлениях в ткани сомитов, что приводит к заострению формы «U» в характерный «V»-образный шеврон. Наконец, направленные клеточные перестройки в будущем миотоме помогают стабилизировать недавно приобретенную форму шеврона.
Расшифровка закономерностей формирования органов
Доцент профессор Сондерс, физик-теоретик, который применяет физические принципы для описания биологических процессов, происходящих во время развития, сказал: «Эта работа показывает, как тщательно сбалансированное взаимодействие между клеточной морфологией и механическими взаимодействиями может способствовать возникновению сложных форм. во время разработки. Мы рады видеть, действуют ли открытые нами принципы на формирование других органов».
Принято приписывать все, что связано с внешним видом, генетике организма. С помощью этого исследования ученые MBI показывают, как изменяющиеся во времени и пространстве биофизические силы играют роль в определении формы организма.