Топология в динамике морфогенеза

Три коротких абзаца «про гидру» из Nautilus-текста Сидни Перковица здесь имеет смысл перевести и пересказать по-русски в чуть более развёрнутом виде. Полноты и доходчивости ради, что называется, обратившись за дополнительными иллюстрациями к материалам первоисточников и к сопутствующим комментариям специалистов.

Новые математические подходы предоставляют ныне учёным более глубокие воззрения на то, каким образом организмы развивают структуры своего тела. Так, в мартовском, 2021 года выпуске журнала Nature Physics группой израильских исследователей опубликована статья под названием «Топологические дефекты в упорядоченной нематической структуре актиновых волокон – как организующие центры в морфогенезе гидры» (Topological defects in the nematic order of actin fibers as organization centers of Hydra morphogenesis. Nature Physics 17, 251-259 (2021). Preprint)

Как можно понять уже из названия, в этой работе биологов и физиков университета Technion исследуется гидра. Небольшое и сравнительно просто устроенное живое существо, имеющее цилиндрическое трубчатое тело длиной примерно 1 см. На одном конце этого тела находится нога или «подошва», прикрепляющая гидру к поверхностям, а на другом конце – голова с ротовым отверстием и щупальцами, обеспечивающими ловлю и поглощение добычи.

Это крошечное водяное создание давно и сильно интересует биологов по той, главным образом, причине, что обладает поразительными способностями к регенерации. Если от тела гидры отрезать произвольный фрагмент, размером хоть меньше одной сотой тела, то в течение нескольких следующих дней этот фрагмент преобразуется в полноценный функционирующий организм, отрастив подошву для крепления к поверхностям и рот со щупальцами для охоты и еды. Столь феноменальная регенерация обеспечивает гидрам своего рода бессмертие и может предоставить, как считается, важные ключи науке для лечения тела и продления жизни человека.

(Попутно, впрочем, можно напомнить, что название своё гидра получила по имени ужасного и неуязвимого мифического чудовища древних греков, Лернейской Гидры, имевшей множество змеевидных голов и отращивавшей по две новые головы вместо каждой отрубленной).

Если переформулировать общую тему регенерации тела в более конкретные направления биологических исследований, то учёных тут, прежде всего, интересует проблема морфогенеза. Ибо морфогенез, то есть возникновение и формирование функциональных форм в развивающемся живом организме, это один из наиболее примечательных примеров формирования устойчивых структур в природе.

Но несмотря на ощутимые успехи и заметный прогресс в последние десятилетия, у биологов, однако, всё ещё так и нет понимания тех организационных принципов, что лежат в основе сходимости процесса морфогенеза. Такого процесса, который на всех масштабах и при различных условиях способен стабильно приводить к формированию чётко определяемых жизнеспособных организмов.

Хотя основная часть исследований морфогенеза сосредоточена на биохимических основах этого процесса, израильские учёные из лаборатории «Самоорганизации биологических систем» и их коллеги по Техниону сфокусировали свои усилия на механических аспектах морфогенеза. В качестве модельного организма выбрав для изучения гидру.

Ибо гидра, как уже отмечено, не только имеет простое строение многоклеточного тела, но и знаменита способностями к регенерации целого животного из небольших фрагментов ткани своего тела. Что предоставляет весьма гибкую платформу для исследований того, каким образом механические силы и обратная связь вносят свой вклад в формирование и стабилизацию строения тела в ходе морфогенеза.

В своём новом исследовании учёные Техниона особое внимание уделяли надклеточным актиновым волокнам (или иначе фибрам), которые формируют структуру организма гидры, а у взрослого животного вытянуты параллельно длинной оси трубки тела, порождая «нематическую организацию» по аналогии с жидкими кристаллами-нематиками.

Используя специально выведенный трансгенный организм гидры, у которой актиновые фибры генетически модифицированы, чтобы светиться при освещении голубым светом, исследователи отрезали фрагмент ткани гидры и проследили в нём перемены ориентации волокон по мере того, как организм регенерировал. В итоге было установлено, что нематическая организация актиновых волокон в гидрах играет заметную роль при задании строения тела животного в процессе регенерации.

Фрагмент ткани сначала сворачивается в сфероид, причём уже имеющиеся фибры формируют характерный паттерн, по своей структуре напоминающий меридианы на глобусе Земли, где линии долготы параллельны друг другу около экватора, однако сильно меняют взаимную ориентацию по мере схождения к Северному или Южному полюсам сферы.

Это схождение – один из типов топологического дефекта, аномалии, появляющейся в разных формах всякий раз, когда в регулярной геометрии, вроде параллельных волокон в гидре или взаимного расположения атомов в кристалле, обнаруживается существенное нарушение порядка. Такой дефект называется «топологическим» потому что анализ и понимание его формирования требуют привлечения топологии, как такой ветви чистой математики, которая изучает изменение форм при их растяжениях или сжатиях, изгибах или перекручиваниях.

После того, как фрагмент быстро свернулся в сфероид, на протяжении последующих часов исследователи наблюдали, как в нематической организации ткани происходят появление и эволюция целого ряда дефектов с разными топологическими зарядами. В целом же результаты наблюдений показали, что динамика образования топологических дефектов может предсказывать развитие органов задолго до того, как они начнут реально появляться на теле.

Особая важность двух топологических дефектов-полюсов, наблюдаемых на сфероиде ткани гидры, заключается в том, что именно они определяют всю последующую схему строения полноценного взрослого организма. Ибо именно они, эти дефекты, в конечном счёте становятся теми местами, где формируются подошва и голова у нового цилиндрического животного.

Исследователи с готовностью признают, что для понимания тех механических и биохимических процессов, которые делают топологические дефекты столь важными, потребуется ещё много дополнительной работы. Но одновременно подчёркивается, что полученные результаты вполне убедительно показывают, как нематический порядок надклеточных актиновых волокон в регенерирующей гидре задаёт своего рода «крупнозернистое поле», динамика которого предоставляет эффективное описание процесса морфогенеза.

Но хотя это морфогенетическое поле уже можно отчётливо наблюдать, никакого физического – или «каузального» – механизма, с помощью которого динамика выстраивания волокон обеспечивает регенерацию организма, исследователям обнаружить пока не удалось…