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研究人员使用海葵来了解早期发育过程中行为如何影响体型

作为人类,我们知道积极的生活方式可以让我们对自己的形式有所控制。当我们走上人行道、跟踪我们的步数、去健身房时,我们可以保持肌肉发育并减少体脂。我们的身体活动有助于塑造我们的体型。但是,如果我们在早期的形式中持续进行类似的有氧运动呢?有没有可能我们的胚胎也运动了?

EMBLIkmi小组的研究人员将这些问题转向海葵,以了解行为如何在早期发育过程中影响体型。事实证明,海葵也受益于保持积极的生活方式,特别是当它们从卵形游泳幼虫成长为久坐不动的管状息肉时。这种形态转变是许多刺胞动物生命史的根本转变,包括不朽的水母和我们星球上最丰富、最复杂的生态系统——珊瑚礁的建造者。

在发育过程中,小海葵幼虫(Nematostella)会进行特定的体操动作。肌肉活动过多或过少或肌肉组织发生剧烈变化都会使海葵偏离其正常形状。

在CurrentBiology上发表的一篇新论文中,Ikmi小组探讨了这种行为如何影响动物发育。凭借在实时成像、计算方法、生物物理学和遗传学方面的专业知识,多学科科学家团队将2D和3D实时成像转化为定量特征,以跟踪身体的变化。他们发现发育中的海葵表现得像液压泵,通过肌肉活动调节身体压力,并使用液压来塑造幼体组织。

“人类使用由肌肉和骨骼制成的骨骼来锻炼。相比之下,海葵使用由肌肉和充满水的腔体制成的水骨架,”EMBL小组负责人AissamIkmi说。帮助发育中的海葵移动的相同液压肌肉似乎也影响它们的发育方式。科学家们使用图像分析管道在大型数据集中测量体柱长度、直径、估计体积和运动性,发现线虫幼虫自然地将自己分为两组:发育缓慢的幼虫和快速发育的幼虫。令团队惊讶的是,幼虫越活跃,它们发育的时间就越长。

我们的工作展示了发育中的海葵本质上是如何‘锻炼’来建立它们的形态的,但它们似乎不能使用它们的水骨架来同时移动和发育。”

Stokkermans解释说,他现在是荷兰Hubrecht研究所的博士后。“这种动物非常活跃。大多数显微镜无法以足够快的速度记录动物的动作,从而导致图像模糊,尤其是当您想以3D方式观看时。此外,这种动物非常密集,因此大多数显微镜甚至无法看到动物的一半。”

为了更深入、更快速地观察,EMBLPrevedel小组的应用工程师LingWang建造了一台显微镜,以在其自然行为期间以3D形式捕捉活的、正在发育的海葵幼虫。

“对于这个项目,Ling专门采用了我们的一项核心技术,即光学相干显微镜或OCM。OCM的关键优势在于它允许动物在显微镜下自由移动,同时仍能提供清晰、详细的内部外观,并在3D。”EMBL小组组长RobertPrevedel说。“这是一个令人兴奋的项目,展示了EMBL小组和学科之间的许多不同界面。”

借助这种专门的工具,研究人员能够量化组织和体腔的体积变化。“为了增加它们的大小,海葵通过吸收环境中的水来像气球一样膨胀,”Stokkermans解释说。“然后,通过收缩不同类型的肌肉,它们可以调节它们的短期形状,就像在一侧挤压膨胀的气球,并在另一侧观察它膨胀。我们认为这种压力驱动的局部扩张有助于拉伸组织,所以动物慢慢地变得更加细长。这样,收缩可以产生短期和长期的影响。

气球和海葵

为了更好地了解液压系统及其功能,研究人员与跨学科专家合作。Hiiragi小组的EMBL预博士PrachitiMoghe测量了驱动身体变形的压力变化。此外,来自哈佛大学的数学家L.Mahadevan和工程师AditiChakrabarti引入了一个数学模型来量化液压在驱动系统级形状变化中的作用。他们还设计了带有带子和胶带的增强气球,模仿了正常和肌肉缺陷动物的形状和大小范围。

“鉴于在动物界,特别是在海洋无脊椎动物中,静水骨骼无处不在,我们的研究表明,主动肌肉液压系统在软体动物的设计原理中发挥着广泛的作用,”Ikmi说。“在许多工程系统中,水力学的定义是利用压力和流入机械功的能力,在时空中具有长期影响。随着动物多细胞性在水生环境中进化,我们认为早期动物可能利用了相同的物理学,液压驱动发展和行为决策。”

由于Ikmi小组之前研究了饮食和触手发育之间的联系,这项研究为了解身体形态如何发育增加了一个新的层面。

“我们仍然对这些新发现有很多疑问。为什么会有不同的活动水平?细胞如何准确地感知压力并将压力转化为发育结果?”Stokkermans在思考这项研究的方向时思考。“此外,由于管状结构是我们许多器官的基础,研究适用于线虫的机制也将有助于进一步了解水力学如何在器官发育和功能中发挥作用。”

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