在开发过程中障碍导致鲁棒性在微小的甲壳类生物

考虑到甲壳纲动物Parhyale hawaiensis,带一些有趣的属性的一种微小的甲壳类生物。

“这是被称为生活瑞士军刀,”Dillon说Cislo,第一作者的研究发表在自然物理。“它有众多不同的附件和每一个唯一指定的大小和形状。此外,每一个肢体有非常特定的函数。”

他们迷人的身体,可以生长条件使这些生物发育研究精心挑选的生物模型。但更重要的是,根据Cislo和加州大学圣芭芭拉分校的研究人员马克Bowick和Sebastian Streichan他们的胚胎是一个窗口的世界组织形态发生,一个领域,旨在了解大量的胚胎细胞成为一个成人的复杂的身体部分器官。“直接开发人员”,或者一个有机体,构建其成年的形式——尽管在微型——而不是一个不同的幼虫形态和经历着蜕变,这甲壳纲动物是一个手表。

“你从这组随机命令细胞所有的疯狂,高度灵活的附属物在成年人的结构,“Cislo说,洛克菲勒大学博士后研究员主持的研究为本文UCSB研究生的指导下理论物理学家Bowick,鲍里斯•Schraiman Streichan,专攻物理的生活问题。直到最近,大多数的观察胚胎发生涉及一些模式生物的胚胎——说,果蝇,在不同的发展阶段和“修复”他们为了冻结。从那时起,科学家可以计算和推理的事件顺序,进入身体的发展。但不太容易观察年轻细胞如何找到他们的地方和位置。

发现它是如何一起工作的是一个生物学的热点话题。但它也分为物理活性物的领域,一个感兴趣的领域的集体行为系统的多个独立的“代理”本地消费能源。活性物的例子有多样化,椋鸟的淙淙声细菌菌落的人群。活性物也可以包含非生物单元组件的平衡的情况下,如机器人成群。

秩序的紊乱

胚胎细胞分裂时,在相反的方向沿着一个轴,然后这些子细胞分裂相反的方向沿着轴,等等,但没有理由分裂轴的女儿必须依靠母公司的分支轴。似乎会使事情变得复杂的组织结构和功能取决于单位细胞的组织和取向。

看看p hawaiensis的细胞处理障碍,他们可以提出的扩散,研究人员跟踪调查了胚胎的发展,施肥后三天。

“它看起来就像一层薄薄的细胞的球形蛋黄,“Cislo说。更好的观察过程中,他们计算平曲线组细胞到一个平面”的方式尊重实际的物理的三维几何配置,”解释,并跟踪这些细胞分裂和移动,这个特殊的首次动态分析p . hawaiensis的早期发展阶段。

12小时后观察开始时间,不断增长的人口的细胞不仅略翻了一倍多,他们自行安排成一个网格的行可能对应于成人身体的部分。从那里,单层细胞,它的面积大致对应于甲壳纲动物的腹部,经历了一波又一波的细胞分裂,从中线和横向传播,将沿轴从头部到尾部的动物。

的分歧并不是随机的,Cislo说。,而不是仅仅成为一个更大的质量看似无序的细胞,这些细胞会分裂,然后一些女儿会调整自己高达90度再划分为了保持与首尾相接轴的对齐。

”经历了部门编排,你开始看到新的行之间插入行,把行上下分开,”他说。“这很疯狂,因为在非生物物理系统这是一个非常积极昂贵的操作。“在金属和晶体,这种机制的重组需要材料加热到成千上万度为了变得可行,Cislo说,“但这里的虾是在室温下。“最好的研究者的知识,一般的轴的细胞分裂最可能与生物信号尚未发现。

虽然脆弱,在某些情况下积极贵,四倍取向的甲壳纲动物的早期阶段的发展是至关重要的,研究人员称。

“有一些关于如何解释这些结果,“Streichan说。”思想的基本路线涉及动物肢体的取向。就像我们的手或腿,这些四肢有明确的方向…身体由多个这样的四肢,适当的身体机能需要协调这些四肢的方向。“想象一下,你的左手是旋转你的右手,说180度交换你的手,手掌,”他补充说。“日常任务将变得相当具有挑战性的!”

改变一切

重要的是要记住的一件事是,这个组织存在于一个结构化的流体状态——不是一个流体和不够坚实,Bowick说。“从物理学的角度来看,阶段具有相同的形式作为一个超流体,”他解释道。

原来所有生成的订单一律的组织细胞,潜在的障碍提出的流体状态和细胞分裂是至关重要的一个生物系统所需的灵活性,Bowick补充道。“细胞分裂不只是,他们显然对对方施加力量这样做,”他说。

研究人员发现,细胞,每个都有自己的小电机和“时钟”自治,创造了一定的“噪音”——变化和波动在整个细胞增殖早期阶段,在后续阶段细胞继续分裂,但组织本身也延伸。这种噪声可能起初会适得其反形成一个复杂的身体有这么多不同的附件,但是,据研究人员介绍,噪声本身是一个健壮的过程所必需的。利用四个取向,系统占据了一个有序与无序之间的“适居带”:足够的订单开始构建生物,但仍然开放式足以吸收过程的微小差异。

通过一系列的模拟,他们发现,尽管在时间变化,或集中的部门(某种程度上),或者细胞的存在没有重新定位自己在扩散,仍有可能最终到达相同的结果。

“外卖是生物学并没有控制非常严格实现所需的结果,“Cislo说,这一发现只是一个动态分析可能产生。

Bowick表示同意。“想象一下,你想要一个系统达到有序状态;如果你是完全静态的,你永远不会找到它,”他说。“但是如果你动摇这个系统,你可能允许它最后一个好命令状态。这里似乎是细胞分裂是动摇系统,允许它最后一个微妙的命令状态。”

这项研究提供了一个令人着迷的窥视发育生物学的方面很少见到,一个沿着几何组织运作的原则,被四个方向。

”的果蝇发育生物学的氢原子,组织部分身体的计划通过一连串的生化信号,“Cislo解释道。“这是完全不同的东西。”

“什么是酷狄龙的工作定向排列的顺序是发现在细胞的水平位置,标志着机械的有序状态,“Streichan说。与其他动物的胚胎细胞的发展依靠化学信号来定位,在p hawaiensis网格模式是一个机械的事件,横跨两个地区——一个接近,一个远离头部,让这两个地区同意他们的细胞的位置。网格也保证细胞的位置和方向,成为四肢甚至在他们发展。

在许多方面,狄龙的项目提供了另一个例子,生物学发现的方法利用物理学的目的,”Streichan说。

“也可以为材料科学课程,“Bowick补充道。“如果你想建立有趣的材料,你可能想要教训生物学和驱动这些材料系统的平衡,并使美妙的结构。”

参考:杨Cislo DJ, F,秦H, Pavlopoulos, Bowick MJ, Streichan SJ。活跃的细胞分裂产生四倍活组织定向排列有序的阶段。Nat phy。2023年。doi:10.1038 / s41567 - 023 - 02025 - 3

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