أحد أطول الأسئلة في علم الأحياء هو كيف يتحول الكائن الحي الذي يبدأ ككتلة جنينية من الخلايا المنتظمة بمرور الوقت إلى كائن حي به أنسجة متنوعة ، لكل منها نمطه وخصائصه الفريدة. تشرح الإجابة كيف يحصل النمر على بقعه ، والحمار الوحشي يحصل على خطوطه ، والأشجار تحصل على فروعها والعديد من الألغاز حول تطور الأنماط في علم الأحياء. لأكثر من نصف قرن ، كان التفسير المفضل موديل أنيق بناءً على الإشارات الكيميائية التي اقترحها عالم الرياضيات آلان تورينج ، والتي كان لديها نجاحات كثيرة.
لكن عددًا متزايدًا من العلماء يشكون في أن نظرية تورينج ليست سوى جزء من القصة. قال "في رأيي لقد أعمينا عن مدى اتساع تطبيقه لمجرد جماله" ايمي شيير، عالم الأحياء التنموي في جامعة روكفلر. من وجهة نظرها ، يمكن أن تلعب قوى الانكماش والضغط الفيزيائية التي تعمل على الخلايا أثناء نموها وانقسامها دورًا مركزيًا أيضًا.
والآن لديها دليل على ذلك. في ورقة منشورة في الموبايل في مايو ، Shyer ، مؤلف مشارك لها وزميلها في علم الأحياء التنموي آلان رودريغز وأظهر زملاؤهم أن القوى الميكانيكية يمكن أن تحفز جلد الدجاج الجنيني على تكوين بصيلات لتنمو الريش. مثلما يمكن للتوتر السطحي أن يسحب الماء إلى حبيبات كروية على سطح زجاجي ، كذلك يمكن للتوترات الجسدية داخل الجنين أن تنشئ أنماطًا توجه النمو والنشاط الجيني في الأنسجة النامية.
عندما ينمو الكائن الحي ويتطور ، تسحب الخلايا الموجودة في أنسجتها وتدفع بعضها على بعض وعلى سقالات البروتين الداعمة (المصفوفة خارج الخلية) التي ترتبط بها بشكل معقد. يشتبه بعض الباحثين في أن هذه القوات ، إلى جانب التغييرات في ضغط وصلابة الخلايا، قد توجه تشكيل أنماط معقدة. حتى الآن ، ومع ذلك ، لم تكن أي دراسات قادرة على فصل تأثير هذه القوى الفيزيائية عن الحساء الكيميائي الذي تنضج فيه.
سحب نمط
في مختبر التشكل في جامعة روكفلر الذي قادوه بشكل مشترك ، قام Shyer و Rodrigues بإزالة الجلد من جنين الدجاج وتفكك الأنسجة لتفكيك الخلايا. ثم وضعوا قطرة من المحلول الخلوي في طبق بتري وتركوه ينمو في المزرعة. راقبوا خلايا الجلد منظمة ذاتيًا في حلقة على أرضية الطبق - مثل نسخة ثنائية الأبعاد من كرة الخلايا التي يصبح الجنين عادةً. تقوم الخلايا بالنبض والتقلص ، وسحب ألياف الكولاجين في المصفوفة خارج الخلية التي تجمعت حول نفسها. على مدار 2 ساعة ، كانت الألياف تدور تدريجيًا وتتجمع معًا ثم تباعد بعضها عن بعض ، مكونة عناقيد من الخلايا التي ستصبح حويصلات ريشية.
"لقد كان هذا إعدادًا تجريبيًا نظيفًا وبسيطًا ، حيث يمكنك رؤية نمط جميل يظهر والتحكم فيه كميًا ،" قال بريان كاملي، عالم فيزياء حيوية في جامعة جونز هوبكنز لم يشارك في الدراسة.
في وقت لاحق ، من خلال تعديل معدل تقلص الخلية والمتغيرات الأخرى ، أظهر الباحثون أن التوتر الجسدي في الكتلة الجنينية يؤثر بشكل مباشر على النمط. قال رودريغيز: "أعتقد أن المفاجأة الأكبر كانت الطريقة التي تفاعلت بها الخلايا مع المصفوفة خارج الخلية بهذه الطريقة الديناميكية للغاية ، من أجل إنشاء هذه الأنماط". "لقد أدركنا أنها رقصة متبادلة بين الاثنين."
قال كاملي: "يشير هذا إلى أن الانقباض قد يكون كافياً لدفع تشكيل النموذج". "هذه قطعة أساسية جديدة حقًا."
الميكانيكا أولا ، الجينات لاحقا؟
اقترح عالم الرياضيات دارسي وينتورث طومسون أن القوى الفيزيائية قد توجه التطور على طول الطريق في عام 1917. في كتابه على النمو والشكل، وصف طومسون كيف تتحكم قوى الالتواء في تكوين القرن والأسنان ، وكيف يظهر البيض والتركيبات المجوفة الأخرى ، وحتى أوجه التشابه بين قنديل البحر وقطرات السائل.
لكن أفكار طومسون قد طغى عليها تفسير تورينج ، الذي ارتبط بسهولة أكبر بالفهم الناشئ للجينات. في ورقة بحثية صدرت عام 1952 بعنوان "الأساس الكيميائي لتكوين التشكل" ، والتي نُشرت قبل عامين من وفاته ، اقترح تورينج أن الأنماط مثل البقع والخطوط وحتى الأشكال المنحوتة للعظام في الهيكل العظمي كانت نتيجة لتدرج دوامي من المواد الكيميائية تسمى مورفوجينات تتفاعل مع بعضها البعض لأنها تنتشر بشكل غير متساو في جميع أنحاء الخلايا. بصفتها مخططًا جزيئيًا ، ستبدأ المورفوجينات في البرامج الجينية التي تسببت في نمو أصابع أو صفوف من الأسنان أو أجزاء أخرى.
كانت نظرية تورينج محبوبة بين علماء الأحياء بسبب بساطتها ، وسرعان ما أصبحت أحد المبادئ الأساسية لعلم الأحياء التطوري. قال رودريغيز: "لا تزال هناك رؤية جزيئية وجينية قوية لمعظم آليات علم الأحياء".
لكن كان هناك شيء مفقود من هذا الحل. قال شيير إنه إذا كانت المورفوجينات الكيميائية هي الدافع وراء التطور ، فيجب أن يكون العلماء قادرين على إظهار أن أحدهم يسبق الآخر - أولاً تعال المواد الكيميائية ، ثم النمط.
لم تكن هي ورودريغز قادرين على إظهار ذلك في المختبر. في عام 2017 ، أخذوا شرائح صغيرة من جلد جنين الدجاج وراقبوا عن كثب الأنسجة متجمعة استعدادًا لتشكيل جريب. وفي الوقت نفسه ، قاموا بتتبع تنشيط الجينات المشاركة في تكوين البصيلات. ما وجدوه هو أن التعبير الجيني حدث في نفس الوقت تقريبًا الذي تجمعت فيه الخلايا - ولكن ليس قبل ذلك.
قال شيير: "بدلاً من" التعبير الجيني أولاً ، ثم الميكانيكا لاحقًا "، كان الأمر أشبه بأن الميكانيكا تولد هذه الأشكال". في وقت لاحق ، أظهروا أنه حتى إزالة بعض المواد الكيميائية المنظمة للجينات لم يعطل العملية. قالت: "فتح ذلك الباب ليقول ،" مرحبًا ، ربما يحدث شيء آخر هنا ".
المادة الفعالة النشطة في علم الأحياء
يأمل Shyer و Rodrigues أن يساعد عملهما وتحقيقاتهما المستقبلية في توضيح دور الفيزياء وتفاعلها مع المواد الكيميائية والجينات أثناء التطور.
"نحن ندرك أن كل التعبير الجيني الجزيئي والإشارات وإنتاج القوى في حركة الخلية مرتبطة ببعضها البعض بشكل لا ينفصم" ، قال إدوين مونرو، عالم الأحياء الجزيئية في جامعة شيكاغو الذي لم يشارك في الدراسة.
يعتقد مونرو أن دور المصفوفة خارج الخلية أكثر أهمية مما يدركه العلماء حاليًا ، على الرغم من تزايد الاعتراف بدورها الأكثر مركزية في التنمية. ربطت الأبحاث الحديثة القوى في المصفوفة خارج الخلية بتطوير بيض ذبابة الفاكهة ، على سبيل المثال.
وافق رودريغز. قال: "إنها مثل الخلايا والمصفوفة خارج الخلية تشكل مادة في حد ذاتها". يصف هذا الاقتران بين الخلايا المقلصة والمصفوفة خارج الخلية بأنه "مادة ناعمة نشطة" ويعتقد أنه يشير إلى طريقة جديدة للتفكير حول تنظيم التطور الجنيني الذي يحدث من خلال القوى خارج الخلية. في العمل المستقبلي ، يأمل هو وشير في توضيح المزيد من التفاصيل عن القوى الفيزيائية قيد التطور ودمجها مع وجهة النظر الجزيئية.
قال شيير: "لقد اعتدنا التفكير في أننا إذا درسنا الجينوم بمزيد والمزيد من العمق والصرامة ، فسيكون كل هذا واضحًا" ، لكن "الإجابات على الأسئلة المهمة قد لا تكون على مستوى الجينوم". بمجرد أن بدا أن القرارات التنموية قد اتخذت من خلال تفاعل الجينات ونواتجها داخل الخلايا ، ولكن الحقيقة الناشئة هي أن "صنع القرار يمكن أن يحدث خارج الخلية ، من خلال التفاعلات الفيزيائية للخلايا مع بعضها البعض".
