Загляните в приливную лужу вдоль берега, и вы можете увидеть морскую звезду, тихо цепляющуюся за скалу. Но эта безопасная взрослая жизнь достигается за счет мучительного личиночного путешествия. Крошечные личинки морских звезд, каждая размером с рисовое зернышко, проводят 60 дней и 60 ночей в открытом океане, питаясь, чтобы накопить энергию, необходимую для превращения в знакомую форму звезды.
По пути личинки должны делать выбор между греблей в поисках пищи и истощением в путешествии. Теперь в статье Nature Physics группа под руководством биоинженера из Стэнфорда Ману Пракаша раскрыла красивый и эффективный механизм, который позволяет этим скромным существам доживать до зрелого возраста.
«Мы показали, что природа снабжает этих личинок перемешиванием воды таким образом, чтобы создавать вихри, которые служат двум эволюционным целям: перемещать организмы и одновременно подносить пищу достаточно близко, чтобы ее можно было схватить», - сказал Пракаш, исследователь. доцент кафедры биоинженерии и недавний обладатель гранта Фонда Макартуров «гений».
Используя экспериментальные методы, которые фиксируют визуальную красоту и математические основы этого механизма, исследователи показывают, как форма и форма личинок морских звезд обеспечивают функции, необходимые для поддержания жизни.
«Когда мы видим странные и красивые формы в природе, мы возвращаем их в лабораторию и спрашиваем, почему они эволюционировали таким образом», - сказал Пракаш. «Это точка зрения, которую мы привносим в биологию: математически понять, как физика формирует жизнь».
Уильям Гилпин, первый автор статьи и аспирант лаборатории Пракаша, сказал, что эти открытия проливают свет на аналогичные эволюционные проблемы, связанные с десятками морских беспозвоночных, которые имеют ключевое отношение к личинкам морских звезд.
«Эволюция стремится удовлетворить основные ограничения», - сказал Гилпин. «Очень часто побеждает первое решение, которое работает».
Сложные вихри
Эти эксперименты начались летом 2015 года на Стэнфордской морской станции Хопкинс в Пасифик-Гроув, Калифорния. Исследователи проходили курс эмбриологии, когда они начали задаваться вопросом об эволюционных основах формы личинки морской звезды - почему она в конечном итоге выглядит именно так.
Возвращая это любопытство в лабораторию, группа систематически изучала организмы, кормя личинок питательными водорослями и наблюдая за их движениями с помощью видеомикроскопов.
«Наш первый момент озарения наступил, когда мы увидели сложные вихри, обтекающие этих животных», - сказал Вивек Пракаш (не родственник), ученый с докторской степенью в области биоинженерии и третий член команды. «Это было красиво, неожиданно и зацепило всех нас. Мы хотели выяснить, как и почему эти животные создавали такие сложные потоки».
Гилпин сказал, что вихри вызывают недоумение, потому что они, похоже, не имеют эволюционного смысла. Требовалось много энергии, чтобы создать спиральные потоки воды; таким образом, у личинки, имеющей всего три императива - питаться, двигаться и расти, - должна была быть причина, чтобы затрачивать такие усилия.
Оркестр ресниц
Как только исследователи выяснили, как личинки закручивают воду, это понимание привело их к тому, почему, и эксперимент сосредоточился на одной из самых распространенных структур эволюции, ресничках, от латинского слова, обозначающего ресницы.
Представьте, что реснички личинки морской звезды подобны веслам, которыми можно было грести на древней галере, за исключением того, что каждая личинка имеет около 100 000 весел, расположенных в виде того, что исследователи называют ресничными лентами, опоясывающими организм. узор куда более сложный, чем весла любой галеры.
Метафора гребли намекает на сложность, обнаруженную исследователями, когда они изучали, как эти 100 000 ресниц гребут личинку по воде.
Как и весла, у ресничек было три возможных действия: движение вперед, назад и остановка. Как и в случае с веслами, реснички двигались по разным синхронным схемам, создавая разные движения. Предположительно управляемая нервной системой, личинка взмахивает своими 100 000 ресницами по определенной схеме, когда хочет есть, чтобы завихрить воду таким образом, чтобы водоросли были достаточно близко, чтобы их можно было схватить. Затем другим взмахом ресниц личинка создает новый узор из мутовок и уносится прочь. (Доступны видеозаписи эксперимента и вихрей.
Исследователи поняли, что наблюдают за активным и ранее неизвестным механизмом, повышающим шансы личинки на выживание. Физическая структура личинки морской звезды, управляемая ее нервами, позволяет ей находить компромиссы между кормом и скоростью: задерживаться, когда водорослей много, а затем бросаться прочь, если питательных веществ становится мало..
Поскольку они рассмотрели значение этих результатов, исследователи выдвинули гипотезу, что этот механизм кормления против скорости, вероятно, применим к личинкам других беспозвоночных, которые, хотя и отличаются от личинок морских звезд по форме, тем не менее, как известно, имеют аналогичные цилиарные полосы. В будущих экспериментах исследователи из Стэнфорда планируют использовать те же методы для изучения других форм личинок. Они надеются узнать, как эволюция взяла определенный механизм, цилиарную полосу, и решила один и тот же компромисс между подачей и скоростью в десятках различных форм и форм.
«Это то, что мы делаем в моей лаборатории, - сказал Пракаш, - ищем фундаментальные принципы, которые мы можем выразить в уравнениях, чтобы описать красоту, разнообразие и функции различных форм жизни».
Пракаш также является членом Stanford Bio-X и Stanford ChEM-H, а также филиалом Стэнфордского института окружающей среды Вудса.