أظهرت دراسة جديدة أن بويضات الحلزون البحري تستخدم الاحتكاك الداخلي للخضوع لتغيرات نمو ما بعد الجنين، مما يرسم تشابهًا مثيرًا للاهتمام مع طين الخزاف. يعتبر Ascidians، أو القواقع البحرية، بمثابة نماذج مهمة لفهم تطور الفقاريات ومشاركة أوجه التشابه مع البشر. الائتمان: SciTechDaily.com
يبحث العلماء في كيفية تحفيز قوى الاحتكاك للنمو في الكائنات البحرية.
عندما يعمل الخزاف على عجلة الغزل، فإن الاحتكاك بين يديه والطين الناعم يساعد في تشكيله في جميع أنواع الأشكال والإبداعات. في موازاة رائعة، تستخدم بويضات الحلزون البحري (خلايا البويضات غير الناضجة) الاحتكاك داخل الأجزاء المختلفة داخلها للخضوع لتغيرات تنموية بعد الإخصاب. نُشرت دراسة أجرتها مجموعة هايزنبرغ في معهد العلوم والتكنولوجيا في النمسا (ISTA). الفيزياء الطبيعيةالآن لوصف كيف يعمل.
البحر هائج ملتصق بصخرة. يعد الكائن البحري نموذجًا ممتازًا لدراسة العمليات التنموية في الفقاريات.
الحياة البحرية المتنوعة: عالم من غضب البحر
المحيط مليء بأشكال الحياة الرائعة. من الطحالب والأسماك الملونة إلى القواقع البحرية وقنافذ البحر، يكشف عالم مختلف تمامًا عن نفسه تحت الماء. من غير المعتاد بشكل خاص قنافذ البحر أو الزهدي: بعد مرحلة اليرقات التي تتحرك بحرية، تستقر اليرقات، وتلتصق بالأسطح الصلبة مثل الصخور أو المرجان، وتشكل السمة المميزة لها، الأنابيب (السيفونات). على الرغم من أنها تبدو مثل النقط المطاطية عند البلوغ، إلا أنها أقرباء اللافقاريات الأكثر ارتباطًا بالبشر. وخاصة في مراحل اليرقات، نافورات البحر تشبهنا بشكل لافت للنظر.
على هذا النحو، غالبًا ما يتم استخدام الزهديين ككائنات نموذجية لدراسة التطور الجنيني المبكر الفقاريات تنتمي إلى البشر. “بينما يُظهر الزقديون السمات التنموية والمورفولوجية الأساسية للفقاريات، إلا أنهم يشتركون أيضًا في البساطة الخلوية والوراثية. اللافقاريات“يشرح كارل فيليب هايزنبرغ، الأستاذ في معهد العلوم والتكنولوجيا في النمسا (ISTA). “تعتبر اليرقات الحمضية على وجه الخصوص نموذجًا ممتازًا لفهم تطور الفقاريات المبكر.”
قام الباحثون بتسمية بروتين الأكتين الخاص بقشرة الأكتوميوسين (الصبغة الخضراء على اليسار) والميوبلازم (الصبغة الزرقاء على اليمين) لتصور حركتهم بعد إخصاب البويضات. عندما تتحرك قشرة الأكتوميوسين على طول الجزء السفلي من البويضة، فإنها تتفاعل ميكانيكيًا مع الميوبلازم، مما يؤدي إلى التصاقها. يتم حل الخطافات في النهاية على عمود الضغط. الائتمان: © Caballero-Mancebo et al./Nature Physics
تم نشر عمل حديث لفريقه البحثي الفيزياء الطبيعية، يوفر الآن رؤى جديدة حول تطورها. أثناء تخصيب البويضات الزهدي، تلعب قوى الاحتكاك دورًا مهمًا في إعادة تشكيل وإعادة تنظيم تصميماتها الداخلية، مما يبشر بالخطوات التالية في سلسلة تطورها.
فك تشفير تحول البويضات
البويضات هي خلايا جرثومية أنثوية تشارك في التكاثر. بعد الإخصاب الناجح بالحيوانات المنوية الذكرية، تخضع البويضات الحيوانية عادةً لإعادة تنظيم السيتوبلازم، مما يؤدي إلى تغيير محتوياتها ومكوناتها الخلوية. تحدد هذه العملية مخططًا للتطور اللاحق للجنين. على سبيل المثال، في الزهديات، يكون إعادة الترتيب هذا عبارة عن نتوء يشبه الجرس – نتوء صغير أو شكل أنف – يسمى القطب المقلص (CP)، الذي يجمع المواد الأساسية التي تسهل نضوج الجنين. ومع ذلك، فإن الآلية الأساسية التي تقود هذه العملية غير معروفة.
تشكيل قطب الانكماش. التوقيت الدقيق لشكل الخلية في البويضات الأسكدية بعد الإخصاب: من البويضة غير المخصبة إلى بدء القطب الانقباضي إلى تكوين القطب الانقباضي إلى ارتشاف القطب الانقباضي. الائتمان: ©Caballero-Mancebo et al./Nature Physics
انطلق فريق من العلماء من ISTA، وجامعة باريس سيتي، وCNRS، وKing's College London، وجامعة السوربون لكشف اللغز. ومن أجل هذا الجهد، قام فريق هايزنبرج باستيراد أسماك أسكيدية بالغة من محطة روسكوف البحرية في فرنسا. جميع قنافذ البحر تقريبًا هي خنثى، لأنها تنتج الخلايا الجرثومية الذكرية والأنثوية. “في المختبر، وضعناهم في خزانات المياه المالحة صِنفتقول سيلفيا كاباليرو مانسيبو، المؤلفة الأولى للدراسة وطالبة دكتوراه سابقة في مختبر هايزنبرغ: “طريقة مناسبة للحصول على البويضات والحيوانات المنوية لدراسة تطورها الجنيني المبكر”.
تشكيل قطب الانكماش. الفاصل الزمني المجهري لشكل الخلية في البويضات الزهدي بعد الإخصاب: من البويضة غير المخصبة (الصورة الأولى من اليسار) إلى بدء قطب الانكماش (الصورتان الثانية والثالثة من اليسار) وتكوين قطب الانكماش (الصورة الرابعة من اليسار). الائتمان: © كاباليرو-مانسيبو وآخرون./الفيزياء الطبيعية
قام العلماء بتحليل البويضات الإسكيدية المخصبة مجهريا وأدركوا أنها تخضع لتغيرات قابلة للتكرار للغاية في شكل الخلية تؤدي إلى تكوين قطب مقلص. ركز البحث الأول الذي أجراه الباحثون على قشرة الأكتوميوسين (الخلية)، وهي بنية ديناميكية موجودة تحت غشاء الخلية في الخلايا الحيوانية. يتكون من خيوط الأكتين والبروتينات الحركية، ويعمل عادةً كمحرك لتغييرات شكل الخلية.
“عندما يتم تخصيب الخلايا، يؤدي التوتر المتزايد في قشرة الأكتوميوسين إلى تقلصها، مما يؤدي إلى حركتها (تدفقها)، مما يؤدي إلى تغييرات مبكرة في شكل الخلية”، يتابع كاباليرو-مانسيبو. ومع ذلك، توقف تدفق الأكتوميوسين أثناء تمديد القطب الانقباضي، مما يشير إلى أن المضخة لديها مشغلات إضافية.
سيلفيا كاباليرو-مانسيبو. يجد خريج ISTA متعة كبيرة في كشف أسرار الطبيعة وتحويلها إلى قصص. حقوق الصورة: © نادين بونسيوني/ISTA
تأثير قوى الاحتكاك على إعادة تشكيل الخلايا
وقد نظر العلماء عن كثب إلى المكونات الخلوية الأخرى التي قد تلعب دورًا في تمدد القطب المتقلص. ومن خلال القيام بذلك، تم العثور عليها في جميع أنحاء الميوبلازم، الذي يتكون من عضيات وجزيئات داخل الخلايا (توجد أشكال ذات صلة منها في العديد من بيض الفقاريات واللافقاريات)، المتمركزة في قاع خلية بيضة الزهدي. يوضح كاباليرو-مانسيبو: “تعمل هذه الطبقة المحددة كمادة صلبة ممدودة، فهي تغير شكلها مع البويضة أثناء الإخصاب”.
معهد كارل فيليب هايزنبرغ للعلوم والتكنولوجيا في النمسا (ISTA). تقوم مجموعة بحثية من علماء الأحياء الخلوية في ISTA بدراسة قنافذ البحر وأسماك الزرد وتحاول فهم كيفية تحول الخلايا غير المهيكلة إلى أنماط معقدة أثناء تطورها. حقوق الصورة: © نادين بونسيوني/ISTA
أثناء حركة قشرة الأكتوميوسين، تطوى الميوبلازم وتشكل حلقات متعددة بسبب قوى الاحتكاك الناشئة بين المكونين. ومع توقف حركة الأكتوميوسين، تختفي أيضًا قوى الاحتكاك. ويضيف كاباليرو مانسيبو: “يؤدي هذا التوقف في النهاية إلى توسع القطب الانقباضي، حيث تتحول حلقات الميوبلازم المتعددة إلى انتفاخ واضح المعالم على شكل جرس”.
توفر الدراسة رؤية جديدة لكيفية تحديد القوى الميكانيكية لشكل الخلية والكائن الحي. وهذا يدل على أن قوى الاحتكاك مهمة في تشكيل وتكوين الكائن الحي. ومع ذلك، فإن العلماء ما زالوا في بداية فهم الدور المحدد للاحتكاك في التطور الجنيني. ويضيف هايزنبرغ: “إن الميوبلازم مثير للاهتمام بشكل خاص لأنه يشارك أيضًا في العمليات الجنينية الأخرى لدى الزحافيين. وسيكون من المثير للاهتمام استكشاف خصائصه المادية غير العادية وفهم كيف تلعب دورًا في تشكيل تيارات المحيط”.
المرجع: إعادة تنظيم السيتوبلازم لقوى الاحتكاك والبويضة الأسكيدية بقلم سيلفيا كاباليرو-مانسيبو، روشيكيش شيندي، ماديسون بولجر-مونرو، ماتيلدا بيروسو، غريغوري زيب، إيرين ستيكاري، ديفيد لابروس، زارياسثينيس، ديفيد لابروس-A، سيلفيا كاباليرو-مانسيبو، روشيكيش شيندي شكل s يحدد التغييرات. وأندرو كالان جونز، ورافائيل فوتوريوس، وكارل فيليب هايزنبرغ، 9 يناير 2024، الفيزياء الطبيعية.
دوى: 10.1038/s41567-023-02302-1
