Един от най-старите и основни въпроси за живота е: Как се случва животът? Например, в човешкото развитие как клетките се самоорганизират в кожа, мускули или кости? Как се образуват мозък, пръст, гръбначен стълб?
Въпреки че отговорите на тези въпроси остават неизвестни, една от линиите на научно изследване се състои в разбирането на гаструлацията - етапът, на който клетките на ембриона се развиват от един слой до многоизмерна структура с основна ос на тялото. При хората гаструлацията настъпва около 14 дни след зачеването.
Не е възможно да се изследват човешки ембриони на този етап, затова изследователи от Калифорнийския университет в Сан Диего, Университета в Дънди (Великобритания) и Харвардския университет изследват гаструлацията при ембриони на пилета, които имат много сходства с човешките ембриони на този етап.
Това изследване е проведено чрез т. нар. "идеален цикъл", по думите на доцента по физика в Калифорнийския университет в Сан Диего Матиа Сера (Mattia Serra): интердисциплинарна комбинация от теоретична и експериментална наука. Матиа Сера е теоретик, който се интересува от откриването на възникващи модели в сложни биофизични системи.
В този случай той и екипът му изграждат математически модел въз основа на данни от биолози от Университета в Дънди. Моделът е в състояние точно да предскаже потоците на гаструлация - движението на десетки хиляди клетки в целия ембрион на пилето - наблюдавани под микроскоп. За първи път самоорганизиращ се математически модел е в състояние да възпроизведе тези потоци в ембрионите на пилетата.
След това биолозите решават да проверят дали моделът може не само да възпроизведе това, което експериментално е вярно, но и да предскаже какво може да се случи при различни условия. Екипът на Сера "смущава" модела - с други думи, променя началните условия или съществуващите параметри.
Идеалният цикъл: математическите модели вляво съвпадат с резултатите, които са били наблюдавани по време на експеримента. Кредит: Mattia Serra group, UC San Diego
Резултатите са изненадващи: моделът генерира клетъчни потоци, които не се наблюдават естествено при пилетата, но се наблюдават при два други вида гръбначни животни - жаба и риба.
За да се уверят, че тези резултати не са математическа фантазия на модела, сътрудниците в областта на биологията имитират точните смущения от модела в лабораторията върху ембриона на пиле. Поразително е, че при тези манипулирани ембриони на пилета също се наблюдават гаструлационни потоци, които се наблюдават естествено при рибите и жабите.
Тези открития, публикувани в Science Advances, предполагат, че едни и същи физични принципи, стоящи зад многоклетъчната самоорганизация, може да са се развили при всички видове гръбначни животни.
"Рибите, жабите и пилетата живеят в различна среда, така че с течение на времето еволюционният натиск може да е променил параметрите и първоначалните условия на развитие на ембрионите", заявява Матиа Сера. "Но някои от основните принципи на самоорганизация, поне в този ранен етап на гаструлацията, може да са едни и същи и при трите."
Сега Сера и неговите сътрудници изучават други механизми, които пораждат самоорганизиращи се модели в ембрионален мащаб. Те се надяват, че тези изследвания могат да допринесат за развитието на дизайна на биоматериали и регенеративната медицина, за да помогнат на хората да живеят по-дълго и по-здравословно.
"Човешкото тяло е най-сложната съществуваща динамична система", заявява Матиа Сера. "Има толкова много интересни биологични, физически и математически въпроси за нашите тела - красиво е да се съзерцават. Откритията, които можем да направим, нямат край."
