บทบาทของแรงตึงผิวในสมมาตรทางชีวภาพ

บทบาทของแรงตึงผิวในสมมาตรทางชีวภาพ

เครดิต: Ecole Polytechnique Federale de Lausanne

นักวิจัย EPFL ได้ค้นพบว่าความสมมาตรในร่างกายมนุษย์ได้รับอิทธิพลจากแรงตึงผิว ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ทางกลแบบเดียวกันที่ทำให้แมลงน้ำหนักเบาเดินบนน้ำได้ บทความที่กล่าวถึงการค้นพบที่น่าประหลาดใจนี้ ซึ่งคล้ายกับรูปแบบของการแก้ไขตนเองตามธรรมชาติ ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร ธรรมชาติ.

ในสัตว์มีกระดูกสันหลัง แขน ขา ครีบและปีกจะเรียงชิดกันที่ด้านข้างของลำตัวทั้งสองข้าง แม้ว่าความสมมาตรนี้อาจดูไม่ธรรมดาและเป็นธรรมชาติอย่างสมบูรณ์ แต่ลักษณะโครงสร้างที่เป็นระเบียบของแต่ละสปีชีส์นั้นอันที่จริงแล้วเป็นผลมาจากกระบวนการที่ซับซ้อนหลายอย่างที่เกิดขึ้นระหว่างการก่อตัวของตัวอ่อน ในบทความนี้ นักวิทยาศาสตร์ของ EPFL ได้แสดงให้เห็นว่าแรงตึงผิวซึ่งเป็นแรงทางกลทั้งหมดส่งผลต่อตำแหน่งสุดท้ายและความสมมาตรตามยาวของโซไมต์อย่างไร ซึ่งเป็นหน่วยการสร้างของตัวอ่อนที่ทำให้ตาของแขนขามีการพัฒนา แรงที่เหมือนกันและเป็นที่รู้จักกันดีนี้อยู่เบื้องหลังรูปทรงกลมของน้ำที่ด้านบนของแก้วและหยดน้ำค้างบนใบไม้ การค้นพบของทีมได้ให้ข้อมูลเชิงลึกใหม่ๆ เกี่ยวกับช่วงแรกของชีวิต ซึ่งแสดงให้เห็นเป็นครั้งแรกว่าแรงตึงผิวซึ่งเกิดขึ้นในเนื้อเยื่อของตัวอ่อนทั้งหมด เป็นตัวขับเคลื่อนกระบวนการสำคัญในการพัฒนาสัตว์มีกระดูกสันหลังได้อย่างไร

บรรลุความสมมาตรโดยไม่ขึ้นกับปัจจัยแวดล้อม

โซไมต์เป็นโครงสร้างเล็กๆ คล้ายบล็อกที่ปรากฏที่ด้านซ้ายและด้านขวาของท่อประสาท ซึ่งเป็นสารตั้งต้นของระบบประสาทส่วนกลาง พวกมันก่อตัวเป็นจังหวะและตามลำดับตามแนวแกนของร่างกายในช่วงแรกของการพัฒนาตัวอ่อน ส่วนนูนเล็กจิ๋วเหล่านี้เป็นจุดเริ่มต้นของระบบกล้ามเนื้อและกระดูก ทำให้เกิดซี่โครง กระดูกสันหลัง และกล้ามเนื้อที่เกี่ยวข้องกัน ซึ่งเป็นลักษณะทั่วไปของสัตว์มีกระดูกสันหลังทั้งหมด เป็นที่เชื่อกันมานานแล้วว่าโซไมต์มีสัดส่วนสมมาตรซ้าย-ขวาสุดท้ายที่แม่นยำอย่างน่าทึ่ง ต่อการทำงานของออสซิลเลเตอร์ทางพันธุกรรม หรือที่เรียกว่านาฬิกาการแบ่งส่วน อย่างไรก็ตาม มุมมองหนังสือเรียนนี้กลับกลายเป็นว่าผิด

Sundar Naganathan นักวิจัยด้านดุษฏีบัณฑิตจากห้องปฏิบัติการ Timing, Oscillations และ Pattern ของ EPFL อธิบายว่า “บางครั้งโซไมต์จะก่อตัวทั้งสองด้านที่มีความยาวไม่เท่ากันและมีรูปร่างไม่สมมาตร ในการวิจัยของพวกเขา นักวิทยาศาสตร์ได้เริ่มทำความเข้าใจว่าการเปลี่ยนแปลงในระยะเริ่มต้นนี้ส่งผลให้เกิดความสมมาตรของร่างกายในท้ายที่สุดได้อย่างไร Naganathan กล่าวว่า “เราแสดงให้เห็นว่าความสมมาตรเป็นสมบัติที่เกิดขึ้นทันที

รูปร่างเปลี่ยนไปแต่ความดังเท่าเดิม

นักวิทยาศาสตร์ใช้เทคนิคการถ่ายภาพต่างๆ เพื่อศึกษาตัวอ่อนของปลาม้าลาย พวกเขาสังเกตเห็นกระบวนการที่รูปแบบที่ไม่แน่ชัดนี้สามารถแก้ไขตัวเองได้อย่างรวดเร็ว โดยที่โซไมต์จะมีความยาวเท่ากันและกระจายตัวที่ด้านใดด้านหนึ่งของท่อประสาทประมาณหนึ่งชั่วโมงหลังจากการก่อตัว “เรายังพบว่าแม้ว่าความยาวของมันจะเปลี่ยนไป แต่ปริมาตรของโครงสร้างเล็กๆ เหล่านี้ก็ยังคงเท่าเดิม” นากานาธานกล่าวเสริม “เมื่อความยาวเปลี่ยนไป ความสูงและความกว้างจะปรับเพื่อชดเชย” การสังเกตเบื้องต้นเหล่านี้ทำให้นักวิจัยสรุปได้ว่าการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้อาจเกิดจากแรงตึงผิว ซึ่งเป็นคุณสมบัติทางเคมีกายภาพที่พบได้ทั่วไปในเนื้อเยื่อของตัวอ่อนทั้งหมด และเชื่อมโยงกับวิธีที่ของเหลวมีปฏิสัมพันธ์กับสิ่งแวดล้อม เพื่อรักษาการเกาะติดกันระหว่างโมเลกุลที่เหมือนกัน โมเลกุลที่อยู่บนพื้นผิวจะมีพลังงานมากกว่าเล็กน้อย โครงสร้างของระบบนี้จะเคลื่อนไปสู่การกำหนดค่าที่เสถียรซึ่งใช้พลังงานในปริมาณที่น้อยที่สุด ส่งผลให้ชั้นผิวหดตัวและนูนขึ้น

การใช้อัลกอริธึมอัตโนมัติเพื่อวิเคราะห์เทราบิตของข้อมูล

Naganathan และเพื่อนร่วมงานของเขาได้ทำการทดลองแบบ in vivo และ in vitro เพื่อพิสูจน์ความเชื่อมโยงระหว่างแรงตึงผิวและความสมมาตรในสิ่งมีชีวิต ตัวอย่างเช่น ในการทดลองหนึ่ง พวกเขาสังเกตว่าโซไมต์ที่เพาะเลี้ยงในห้องปฏิบัติการมีลักษณะเป็นทรงกลมแบบเดียวกับที่หยดน้ำค้างบนใบไม้ แต่แรงตึงผิวมีแรงเพียงพอที่จะคืนความยาวของโครงสร้างเหล่านี้หรือไม่? ต้องขอบคุณการหยุดชะงักที่เกิดจากโปรตีนที่ทราบว่ามีผลต่อแรงตึงผิว ทีมงานได้แสดงให้เห็นว่าโซไมต์มีความยาวไม่เท่ากันอีกต่อไป ดังนั้นในขั้นต่อไปของการวิจัย พวกเขาจึงใช้เทคนิคการสร้างแบบจำลองทางคอมพิวเตอร์เพื่อเปรียบเทียบและตรวจสอบแบบจำลองต่างๆ พัฒนาอัลกอริธึมอัตโนมัติเพื่อกลั่นกรองและวิเคราะห์ข้อมูลการถ่ายภาพหลายเทราบิต “ผลลัพธ์ของเราที่บ่งชี้ถึงบทบาทของกลไกเนื้อเยื่อในความแม่นยำของรูปร่างและขนาดของเนื้อเยื่อ สามารถนำไปใช้กับระบบออร์กานอยด์ ซึ่งการบรรลุรูปร่างของเนื้อเยื่อที่แม่นยำยังคงเป็นปัญหาที่แก้ไม่ตก” นางนากานาธานกล่าวเสริม

แรงตึงผิวมีแนวโน้มที่จะเล่นในสิ่งมีชีวิตอื่น

การสังเกตของทีมทั้งหมดชี้ไปในทิศทางเดียวกัน “เราสรุปได้ว่าแรงตึงผิวสามารถช่วยแก้ไขข้อผิดพลาดในความยาวและสมมาตรได้” Naganathan กล่าว แม้ว่างานวิจัยจะเน้นไปที่ตัวอ่อนของปลาม้าลายโดยเฉพาะ แต่การค้นพบนี้อาจมีนัยสำคัญในระดับสากล “ความจริงที่ว่าแรงตึงผิวเป็นเรื่องปกติสำหรับเนื้อเยื่อที่กำลังพัฒนาในทุกสายพันธุ์ แสดงให้เห็นว่ากระบวนการแก้ไขตัวเองนี้อาจเกิดขึ้นในสัตว์มีกระดูกสันหลังอื่นๆ เช่นกัน” เขาอธิบาย

นักวิทยาศาสตร์วางแผนที่จะดำเนินการวิจัยต่อไปเพื่อจัดการกับคำถามอื่นๆ ที่ยังไม่ได้คำตอบเกี่ยวกับที่มาของความสมมาตรของร่างกาย ตัวอย่างเช่น หลังจากที่ได้แสดงให้เห็นว่าแรงตึงผิวมีอิทธิพลต่อรูปร่างและความสมมาตรของโครงสร้างพื้นฐานเหล่านี้อย่างไร ทีมงานยังคงต้องทำความเข้าใจว่าแขนขาที่มีขนาดเท่ากันทั้งสองข้างของลำตัวพัฒนาขึ้นอย่างไรและทำไม “นั่นคือความท้าทายที่ยิ่งใหญ่ครั้งต่อไปของเรา” นากานาธานกล่าว การวิจัยของพวกเขาอาจให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับคำถามที่น่าสนใจอื่นๆ เช่น เหตุใดอวัยวะที่อยู่ห่างไกล เช่น ตาและหูจึงมีรูปร่างที่สมมาตร และสมมาตรของร่างกายโดยทั่วไปจะประสานกับตำแหน่งที่ไม่สมมาตรของอวัยวะอื่นๆ เช่น หัวใจและท้องได้อย่างไร


ไขที่มาของกระดูกสันหลังมนุษย์


ข้อมูลมากกว่านี้:
Sundar R. Naganathan et al, ความสมมาตรซ้าย-ขวาของตัวอ่อน zebrafish ต้องการแรงตึงผิวของ somite, ธรรมชาติ (2022). ดอย: 10.1038/s41586-022-04646-9

ให้บริการโดย Ecole Polytechnique Federale de Lausanne

การอ้างอิง: บทบาทของแรงตึงผิวในสมมาตรทางชีวภาพ (2022, 6 พฤษภาคม) สืบค้นเมื่อ 6 พฤษภาคม 2565 จาก https://phys.org/news/2022-05-role-surface-tension-biological-symmetry.html

เอกสารนี้อยู่ภายใต้ลิขสิทธิ์ นอกเหนือจากข้อตกลงที่เป็นธรรมเพื่อการศึกษาหรือการวิจัยส่วนตัวแล้ว ห้ามทำซ้ำส่วนหนึ่งส่วนใดโดยไม่ได้รับอนุญาตเป็นลายลักษณ์อักษร เนื้อหานี้จัดทำขึ้นเพื่อวัตถุประสงค์ในการให้ข้อมูลเท่านั้น

(Visited 1 times, 1 visits today)

Be the first to comment

Leave a comment

Your email address will not be published.


*