Математически модел свързва еволюцията на пилетата, рибите и жабите

Ваня Милева Последна промяна на 08 декември 2023 в 00:00 3903 0

Снимка на развитието на ембриони на пилета близнаци. Жълтите ивици маркират бъдещите гръбначни мозъци.

Кредит Mattia Serra group, UC San Diego

Снимка на развитието на ембриони на пилета близнаци. Жълтите ивици маркират бъдещите гръбначни мозъци.

Един от най-старите и основни въпроси за живота е: Как се случва животът? Например, в човешкото развитие как клетките се самоорганизират в кожа, мускули или кости? Как се образуват мозък, пръст, гръбначен стълб?

Въпреки че отговорите на тези въпроси остават неизвестни, една от линиите на научно изследване се състои в разбирането на гаструлацията - етапът, на който клетките на ембриона се развиват от един слой до многоизмерна структура с основна ос на тялото. При хората гаструлацията настъпва около 14 дни след зачеването.

Не е възможно да се изследват човешки ембриони на този етап, затова изследователи от Калифорнийския университет в Сан Диего, Университета в Дънди (Великобритания) и Харвардския университет изследват гаструлацията при ембриони на пилета, които имат много сходства с човешките ембриони на този етап.

Това изследване е проведено чрез т. нар. "идеален цикъл", по думите на доцента по физика в Калифорнийския университет в Сан Диего Матиа Сера (Mattia Serra): интердисциплинарна комбинация от теоретична и експериментална наука. Матиа Сера е теоретик, който се интересува от откриването на възникващи модели в сложни биофизични системи.

В този случай той и екипът му изграждат математически модел въз основа на данни от биолози от Университета в Дънди. Моделът е в състояние точно да предскаже потоците на гаструлация - движението на десетки хиляди клетки в целия ембрион на пилето - наблюдавани под микроскоп. За първи път самоорганизиращ се математически модел е в състояние да възпроизведе тези потоци в ембрионите на пилетата.

След това биолозите решават да проверят дали моделът може не само да възпроизведе това, което експериментално е вярно, но и да предскаже какво може да се случи при различни условия. Екипът на Сера "смущава" модела - с други думи, променя началните условия или съществуващите параметри.

Идеалният цикъл: математическите модели вляво съвпадат с резултатите, които са били наблюдавани по време на експеримента. Кредит: Mattia Serra group, UC San Diego

Резултатите са изненадващи: моделът генерира клетъчни потоци, които не се наблюдават естествено при пилетата, но се наблюдават при два други вида гръбначни животни - жаба и риба.

За да се уверят, че тези резултати не са математическа фантазия на модела, сътрудниците в областта на биологията имитират точните смущения от модела в лабораторията върху ембриона на пиле. Поразително е, че при тези манипулирани ембриони на пилета също се наблюдават гаструлационни потоци, които се наблюдават естествено при рибите и жабите.

Тези открития, публикувани в Science Advances, предполагат, че едни и същи физични принципи, стоящи зад многоклетъчната самоорганизация, може да са се развили при всички видове гръбначни животни.

"Рибите, жабите и пилетата живеят в различна среда, така че с течение на времето еволюционният натиск може да е променил параметрите и първоначалните условия на развитие на ембрионите", заявява Матиа Сера. "Но някои от основните принципи на самоорганизация, поне в този ранен етап на гаструлацията, може да са едни и същи и при трите."

Сега Сера и неговите сътрудници изучават други механизми, които пораждат самоорганизиращи се модели в ембрионален мащаб. Те се надяват, че тези изследвания могат да допринесат за развитието на дизайна на биоматериали и регенеративната медицина, за да помогнат на хората да живеят по-дълго и по-здравословно.

"Човешкото тяло е най-сложната съществуваща динамична система", заявява Матиа Сера. "Има толкова много интересни биологични, физически и математически въпроси за нашите тела - красиво е да се съзерцават. Откритията, които можем да направим, нямат край."

Справка: Mattia Serra et al, A mechanochemical model recapitulates distinct vertebrate gastrulation modes, Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adh8152

Източник: A mathematical model connects the evolution of chickens, fish and frogs, Michelle Franklin, University of California - San Diego

Най-важното
Всички новини
За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !