Elävän monimuotoisuus ei ole pelkästään geneettinen asia 🧬

UNIGE:n tutkimus paljastaa, kuinka kasvukudoksiin liittyvät mekaaniset rajoitteet vaikuttavat biologisten rakenteiden monimuotoisuuden syntymiseen.


Miten selittää lajien morfologinen monimuotoisuus? Vaikka genetiikka on ensimmäinen ajatus, joka tulee mieleen, se ei kuitenkaan ole ainoa selitys. Yhdistämällä havaintoja alkionkehityksestä, edistyksellisiä mikroskopia-tekniikoita ja tietokonesimulaatioita, Geneven yliopiston (UNIGE) monitieteinen tiimi osoittaa, että krokotiilien pään suomujen kehitys johtuu prosessista, joka liittyy kasvavien kudosten mekaniikkaan, eikä molekyyligenetiikkaan.

Erilaisten krokotiililajien havaituista suomuista johtuva monimuotoisuus syntyy siis mekaanisten parametrien kehittymisestä. Nämä tulokset tarjoavat uuden näkökulman fyysisiin voimiin, jotka vaikuttavat elämänmuotojen kehitykseen ja monimuotoisuuden evoluutioon. Ne voisivat soveltua myös muihin monimutkaisiin biologisiin järjestelmiin. Nämä tutkimukset julkaistaan lehdessä Nature.

Elävien olentojen monimuotoisuuden ja morfologisen monimutkaisuuden alkuperä on edelleen yksi tieteen suurimmista mysteereistä. Sen selvittämiseksi tutkijat tarkastelevat erilaisia biologisia lajeja. Michel Milinkovitchin laboratorio, joka sijaitsee UNIGE:n tiedekunnassa, tutkii selkärankaisten ihorakenteiden - eli höyhenten, karvojen ja suomujen - kehitystä ja evoluutiota ymmärtääkseen tämän monimuotoisuuden taustalla olevia perusmekanismeja. Yleisesti ottaen ajatellaan, että näiden rakenteiden alkionkehitys määräytyy geneettisten prosessien mukaan, jotka sisältävät vuorovaikutuksia monien geenien ilmentymisestä peräisin olevien molekyylien välillä.

Kuin "halkeama", joka leviää

Aikaisemmat krokotiilien alkioiden kehitysanalyysit ovat kuitenkin mahdollistaneet geneveläisten tutkijoiden osoittaa, että toisin kuin kehon suomut, kuonon ja leuan suomut syntyvät prosessista, joka muistuttaa halkeamien leviämistä materiaalissa, joka altistuu mekaaniselle stressille. Tämän fysikaalisen prosessin tarkka luonne oli kuitenkin edelleen tuntematon.

UNIGE:n tiimi ratkaisi tämän mysteerin uusien erittäin monitieteisten tutkimusten avulla. He havaitsivat ensin suomujen ilmestymisen Niilin krokotiilin alkion kehityksen aikana, joka kestää noin 90 päivää. Kun 48. päivänä leuan ja kuonon peittävä iho on vielä sileä, ihon poimut alkavat ilmestyä 51. päivänä ja leviävät sitten ja yhdistyvät muodostaen monikulmioisia suomuja kahta tyyppiä: leveitä ja pitkiä kuonon päällä, pienempiä ja epäsäännöllisiä leuan sivuilla.


Michel Milinkovitchin ryhmä halusi selvittää, voisivatko eroavat kasvunopeudet epidermiksen, dermiksen ja alla olevien kallon luiden välillä selittää poimujen ja siten suomujen syntymistä. Tämän saavuttamiseksi he kehittivät tekniikan, jossa krokotiilin munaan injektoitiin hormonia, joka aktivoi epidermiksen kasvua ja jäykistymistä - EGF (Epidermal Growth Factor) -tekijä. He havaitsivat, että epidermiksen pinnallisen kerroksen kasvun aktivointi ja jäykkyyden lisääminen johtavat dramaattisiin muutoksiin ihon poimujen järjestelyssä.

"Huomaamme, että iho poimuttuu ensin epänormaalisti ja muodostaa labyrinttimaisen verkoston, joka muistuttaa aivojen poimuja, mutta lopulta muodostaa paljon pienempiä suomuja, kuten kaimaaneilla", selittävät Gabriel Santos-Durán ja Rory Cooper, Michel Milinkovitchin laboratoriossa työskentelevät post-doc-tutkijat ja tutkimuksen yhteisautorid. Nämä havainnot osoittavat, että eroavaisuus kasvunopeudessa ja ihokerrosten jäykistymisessä on yksinkertainen evolutiivinen mekanismi, joka pystyy tuottamaan suuren monimuotoisuuden suomujen muodoissa eri krokotiililajien keskuudessa.

3D-malli leuan kehityksestä

Tutkijat käyttivät sitten edistyneitä mikroskopia-tekniikoita, niin kutsuttua "valolevymikroskopiaa", kvantifioidakseen kasvunopeuden ja erilaisten kudosten (epiderma, derma, luukudos) paksuuden vaihtelut koko alkion päässä, mutta myös kollageenikuitujen järjestelyn dermassa. Geneveläinen tiimi käytti näitä tietoja rakentaakseen kolmiulotteisen (3D) tietokonesimulaation, joka mahdollistaa kudosten kasvunopeuden ja jäykkyyden vaihtelun.

"Tutkiessamme näitä erilaisia parametreja voimme tuottaa erilaisia suomujen muotoja, jotka vastaavat EGF:llä käsiteltyjä ja käsittelemättömiä Niilin krokotiileja, mutta myös silmälasikaimaaneja tai amerikkalaisia alligaattoreita. Nämä tietokonesimulaatiot osoittavat, että kudosten mekaniikka voi helposti selittää erilaisten anatomisten rakenteiden muotojen monimuotoisuuden eri lajeissa ilman, että mukaan otetaan molekyyligenettisiä tekijöitä", päättää Ebrahim Jahanbakhsh, Michel Milinkovitchin laboratoriossa työskentelevä tietokoneinsinööri ja tutkimuksen yhteisautorid.