Пресноводные планарии, встречающиеся по всему миру и широко известные как «плоские черви», славятся своей способностью к регенерации. Благодаря процессу, называемому «делением», планарии могут размножаться бесполым путем, просто разрывая себя на две части - голову и хвост, - из которых примерно через неделю формируются два новых червя.
Когда, где и как разворачивается этот процесс, веками оставалось загадкой из-за сложности изучения деления. Но теперь группа ученых Калифорнийского университета в Сан-Диего дает новое биомеханическое объяснение в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Планарии, как известно, трудно поддаются изучению. Они не любят, когда за ними наблюдают во время деления, которое в основном происходит в темноте и останавливается при малейшем волнении. Поскольку деление происходит нечасто - примерно раз в месяц у некоторых видов - требуется непрерывная видеозапись акта планарии для изучения деталей ее регенерации.
Чтобы понять, где и как происходит деление у видов планарий Dugesia japonica, исследователи использовали сочетание замедленной видеозаписи, чувствительных измерений тяги, статистического анализа сотен делений и математического моделирования..
Ева-Мария Коллинз, доцент кафедры физики и секции клеточной биологии и биологии развития, и ее коллеги смогли предсказать, где происходит деление планарии, исходя из ее анатомии, а также объяснить, как происходит этот процесс, используя относительно простая механическая модель.
«До нашей работы никто не знал, где и как планарий делятся, - сказал Коллинз. «Фактически последнее углубленное исследование деления привело к выводу, что место, где происходит деление, непредсказуемо. Наши результаты, показывающие, что его можно предсказать, полностью меняют наши представления о делении».
В более ранних исследованиях Коллинз и ее коллеги показали, что место деления планарии определяет относительный размер двух потомков и, следовательно, их шансы на выживание и будущее размножение. Это также может быть ключом к пониманию того, как эта форма бесполого размножения может привести к разнообразию популяции без полового размножения.
Как описано в исследовании PNAS, команда обнаружила, что деление всегда происходит в три этапа: формирование перетяжки, пульсация и разрыв. Формирование талии является ключом к механике деления, создавая локальное слабое место в поперечном сечении. Затем импульсы расширения и сокращения в конечном итоге вызывают разрыв в области талии. После разрыва две части восстанавливают недостающие структуры за счет большого пула стволовых клеток, которые играют центральную роль в способности планарий к регенерации. Как стволовые клетки распределяются среди двух потомков, остается неизвестным, и это является связью между результатами этого нового исследования и текущими исследованиями в лаборатории Коллинза по эволюции видов, размножающихся бесполым путем..
Майкл Фарадей, считающийся одним из величайших ученых мира благодаря его вкладу в физику и химию, как сообщается, был очарован делением планарий. Сложные требования к изучению червей, возможно, помешали известному физику 19-го века полностью расшифровать этот процесс.
Коллинз сказала, что хотела понять, как работает деление планарий, когда впервые увидела фотографии этого процесса много лет назад.
«Иногда вы просто видите что-то в природе и хотите понять, как это работает», - сказала она, высоко оценив вклад соавтора Пола Малиновски и третьего автора Келсона Кая, которые были студентами-физиками Калифорнийского университета в Сан-Диего во время исследование.