الرقص الغامض لأجنة الكريكيت

في يونيو ، تجمع 100 عالم من ذباب الفاكهة في جزيرة كريت اليونانية لحضور اجتماعهم الذي يعقد مرة كل سنتين. وكان من بينهم كاساندرا إكستافور ، عالمة الوراثة الكندية بجامعة هارفارد. يعمل مختبرها مع ذباب الفاكهة لدراسة التطور والتطور – “evo devo”. في أغلب الأحيان ، يختار هؤلاء العلماء نوع Drosophila melanogaster ليكون “كائنهم النموذجي” – حصان عمل مجنح عمل كمتعاون مع الحشرات على الأقل في عدد قليل من جوائز نوبل في علم وظائف الأعضاء والطب.

لكن الدكتور إكستافور معروف أيضًا بزراعة أنواع بديلة ككائنات نموذجية. إنها حريصة بشكل خاص على لعبة الكريكيت ، خاصة Gryllus bimaculatus ، لعبة الكريكيت الميدانية ذات النقطتين ، على الرغم من أنها لا تتمتع بأي شيء بالقرب من ذبابة الفاكهة. (تقدم حوالي 250 محققًا رئيسيًا لحضور الاجتماع في كريت).

قالت خلال مقابلة بالفيديو من غرفتها بالفندق “إنه جنون” ، بينما كانت تبتعد عن خنفساء. “إذا حاولنا عقد اجتماع مع جميع رؤساء المعامل التي تعمل على هذا النوع من لعبة الكريكيت ، فقد يكون هناك خمسة منا ، أو 10 أشخاص”

تم بالفعل إدراج الصراصير في دراسات حول الساعات اليومية ، وتجديد الأطراف ، والتعلم ، والذاكرة ؛ لقد عملوا كنماذج للأمراض ومصانع أدوية. متعددون حقيقيون ، صراصير الليل! كما أنها تحظى بشعبية متزايدة كطعام ، مغطاة بالشوكولاتة أم لا. من منظور تطوري ، توفر الصراصير المزيد من الفرص للتعرف على آخر سلف مشترك للحشرات ؛ لديهم سمات مشتركة مع الحشرات الأخرى أكثر من ذباب الفاكهة. (الجدير بالذكر أن الحشرات تشكل أكثر من 85 بالمائة من أنواع الحيوانات).

يهدف بحث د. إكستافور إلى أساسيات: كيف تعمل الأجنة؟ وماذا يمكن أن يكشف عن كيفية ظهور أول حيوان؟ يتبع كل جنين حيواني رحلة مماثلة: تصبح خلية واحدة كثيرة ، ثم يرتبون أنفسهم في طبقة على سطح البويضة ، مما يوفر مخططًا مبكرًا لجميع أجزاء الجسم البالغة. لكن كيف تعرف الخلايا الجنينية – الخلايا التي لها نفس الجينوم ولكنها لا تفعل الشيء نفسه بهذه المعلومات – إلى أين تذهب وماذا تفعل؟

قال الدكتور إكستافور: “هذا هو اللغز بالنسبة لي”. “هذا هو المكان الذي أريد أن أذهب إليه دائمًا.”

وصف سيث دونوج ، عالم الأحياء وعالم البيانات بجامعة شيكاغو وخريج معمل الدكتور إكستافور ، علم الأجنة بأنه دراسة لكيفية قيام الحيوان النامي بتكوين “الأجزاء الصحيحة في المكان المناسب في الوقت المناسب”. في بعض الأبحاث الجديدة التي تضمنت فيديو رائعًا لجنين الكريكيت – يُظهر بعض “الأجزاء الصحيحة” (نواة الخلية) تتحرك في ثلاثة أبعاد – وجد الدكتور إكستافور والدكتور دونوج وزملاؤهم أن الهندسة القديمة الجيدة تلعب دور البطولة.

يبدأ البشر والضفادع والعديد من الحيوانات الأخرى التي خضعت للدراسة على نطاق واسع كخلية واحدة تنقسم على الفور مرارًا وتكرارًا إلى خلايا منفصلة. في الصراصير ومعظم الحشرات الأخرى ، تنقسم نواة الخلية فقط في البداية ، وتشكل العديد من النوى التي تنتقل عبر السيتوبلازم المشترك وتشكل لاحقًا أغشية خلوية خاصة بها.

في عام 2019 ، درس ستيفانو دي تاليا ، عالم الأحياء التطورية الكمية في جامعة ديوك ، حركة النوى في ذبابة الفاكهة وأظهر أنها تحملها التدفقات النبضية في السيتوبلازم – إلى حد ما مثل الأوراق التي تسافر على دوامات بطيئة. -تحرك تيار.

لكن كانت هناك آلية أخرى تعمل في جنين الكريكيت. أمضى الباحثون ساعات في مشاهدة وتحليل النوى المجهري: تقسم النوى المتوهجة وتتحرك في نمط محير ، ليس بشكل منظم تمامًا ، وليس عشوائيًا تمامًا ، في اتجاهات وسرعات مختلفة ، النوى المجاورة متزامنة أكثر من تلك البعيدة. كذب الأداء تصميم الرقصات الذي يتجاوز مجرد الفيزياء أو الكيمياء.

قال الدكتور إكستافور: “الهندسة التي تفترضها النوى هي نتيجة لقدرتها على الإحساس والاستجابة لكثافة النوى الأخرى القريبة منها”. لم يشارك د. دي تاليا في الدراسة الجديدة لكنه وجدها مؤثرة. قال: “إنها دراسة جميلة لنظام جميل ذي صلة بيولوجية كبيرة”.

اتخذ باحثو الكريكيت في البداية نهجًا كلاسيكيًا: انظر عن كثب وانتبه. قال الدكتور إكستافور: “لقد شاهدناه للتو”.

قاموا بتصوير مقاطع فيديو باستخدام مجهر ورقة ضوء الليزر: التقطت اللقطات رقصة النوى كل 90 ثانية خلال ثماني ساعات من تطور الجنين ، وفي ذلك الوقت تجمعت 500 نواة أو نحو ذلك في السيتوبلازم. (تفقس الصراصير بعد حوالي أسبوعين).

عادةً ما تكون المادة البيولوجية شفافة ويصعب رؤيتها حتى مع وجود أكثر المجهر قوة. لكن تارو ناكامورا ، الذي كان حينها باحثًا في مرحلة ما بعد الدكتوراة في مختبر الدكتور إكستافور ، وهو الآن عالم أحياء تنموي في المعهد الوطني للبيولوجيا الأساسية في أوكازاكي باليابان ، صمم سلالة خاصة من الصراصير ذات النواة التي تتوهج باللون الأخضر الفلوري. كما روى الدكتور ناكامورا ، عندما سجل تطور الجنين كانت النتائج “مذهلة”.

قال الدكتور دونوج إن تلك كانت “نقطة الانطلاق” للعملية الاستكشافية. أعاد صياغة ملاحظة تُنسب أحيانًا إلى مؤلف الخيال العلمي وأستاذ الكيمياء الحيوية إسحاق أسيموف: “في كثير من الأحيان ، أنت لا تقول” يوريكا! ” عندما تكتشف شيئًا ما ، فأنت تقول ، “هاه. هذا غريب.'”

في البداية ، شاهد علماء الأحياء مقاطع الفيديو على حلقة ، معروضة على شاشة غرفة الاجتماعات – ما يعادل لعبة الكريكيت IMAX ، معتبرين أن حجم الأجنة يبلغ حوالي ثلث حجم حبة أرز (طويل الحبة). لقد حاولوا اكتشاف الأنماط ، لكن مجموعات البيانات كانت ساحقة. كانوا بحاجة إلى مزيد من الذكاء الكمي.

اتصل الدكتور دونوج بكريستوفر ريكروفت ، عالم الرياضيات التطبيقية بجامعة ويسكونسن ماديسون ، وأظهر له نواة الرقص. ‘رائع!’ قال الدكتور ريكروفت. لم يسبق له أن رأى شيئًا كهذا ، لكنه أدرك إمكانية التعاون المدعوم بالبيانات ؛ انضم هو وجوردان هوفمان ، طالب الدكتوراه في مختبر الدكتور ريكروفت ، إلى الدراسة.

خلال العديد من العروض ، فكر فريق الرياضيات والبيولوجيا في العديد من الأسئلة: كم عدد النوى الموجودة؟ متى بدأوا في الانقسام؟ ما هي الاتجاهات التي كانوا يسيرون فيها؟ أين انتهى بهم الأمر؟ لماذا كان البعض يتجول والبعض الآخر يزحف؟

غالبًا ما يعمل الدكتور ريكروفت في مفترق طرق الحياة والعلوم الفيزيائية. (نشر في العام الماضي عن فيزياء تجعيد الورق.) قال: “لقد حققت الرياضيات والفيزياء نجاحًا كبيرًا في استنباط القواعد العامة التي تنطبق على نطاق واسع ، وقد يساعد هذا النهج أيضًا في علم الأحياء”. د. إكستافور قال الشيء نفسه.

قضى الفريق الكثير من الوقت في تحريك الأفكار حول لوحة بيضاء ، وغالبًا ما يرسمون الصور. ذكّرت المشكلة الدكتور ريكروفت بمخطط فورونوي ، وهو بناء هندسي يقسم الفضاء إلى مناطق فرعية غير متداخلة – المضلعات ، أو خلايا فورونوي ، التي تنبثق كل منها من نقطة البداية. إنه مفهوم متعدد الاستخدامات ينطبق على أشياء متنوعة مثل مجموعات المجرات والشبكات اللاسلكية ونمط نمو مظلات الغابات. (جذوع الأشجار هي نقاط البذور والتيجان هي خلايا Voronoi ، تحاضن عن كثب ولكن لا تتعدى على بعضها البعض ، وهي ظاهرة تُعرف باسم خجل التاج).

في سياق لعبة الكريكيت ، قام الباحثون بحساب خلية فورونوي المحيطة بكل نواة ولاحظوا أن شكل الخلية ساعد في التنبؤ بالاتجاه الذي ستتحرك فيه النواة بعد ذلك. في الأساس ، قال الدكتور دونوج ، “تميل النوى إلى الانتقال إلى مساحة مفتوحة قريبة.”

وأشار إلى أن الهندسة تقدم طريقة مجردة للتفكير في الميكانيكا الخلوية. قال: “بالنسبة لمعظم تاريخ بيولوجيا الخلية ، لم نتمكن من قياس القوى الميكانيكية أو مراقبتها بشكل مباشر” ، على الرغم من أنه كان من الواضح أن “المحركات والضغط والضغط” تلعب دورًا. لكن يمكن للباحثين ملاحظة الأنماط الهندسية ذات الترتيب الأعلى التي تنتجها الديناميكيات الخلوية. “لذا ، بالتفكير في تباعد الخلايا ، وأحجام الخلايا ، وأشكال الخلايا – نعلم أنها تأتي من قيود ميكانيكية بمقاييس دقيقة للغاية ،” قال الدكتور دونوج.

لاستخراج هذا النوع من المعلومات الهندسية من مقاطع فيديو لعبة الكريكيت ، قام الدكتور دونوج والدكتور هوفمان بتتبع النوى خطوة بخطوة ، وقياس الموقع والسرعة والاتجاه.

قال الدكتور هوفمان ، عالم الرياضيات التطبيقية الآن في ديب مايند في لندن: “هذه ليست عملية تافهة ، وينتهي بها الأمر تتضمن الكثير من أشكال الرؤية الحاسوبية والتعلم الآلي”.

قاموا أيضًا بالتحقق من نتائج البرنامج يدويًا ، بالنقر فوق 100000 موضع ، وربط سلالات النوى عبر المكان والزمان. وجد الدكتور هوفمان ذلك مملاً. اعتبر الدكتور دونوج أن الأمر يلعب لعبة فيديو ، “التكبير بسرعة عالية عبر الكون الصغير داخل جنين واحد ، وربط خيوط رحلة كل نواة معًا.”

بعد ذلك ، طوروا نموذجًا حسابيًا يختبر ويقارن الفرضيات التي قد تفسر حركات النواة وموضعها. بشكل عام ، استبعدوا التدفقات السيتوبلازمية التي رآها الدكتور دي تاليا في ذبابة الفاكهة. لقد دحضوا الحركة العشوائية وفكرة أن النوى تباعد بعضها عن بعض جسديًا.

بدلاً من ذلك ، توصلوا إلى تفسير معقول من خلال البناء على آلية أخرى معروفة في أجنة ذبابة الفاكهة والدودة المستديرة: محركات جزيئية مصغرة في السيتوبلازم تمد مجموعات من الأنابيب الدقيقة من كل نواة ، على عكس مظلة الغابة.

اقترح الفريق أن نوعًا مشابهًا من القوة الجزيئية أدى إلى جذب نوى الصراصير إلى الفضاء غير المشغول. قال الدكتور إكستافور في رسالة بالبريد الإلكتروني: “قد تكون الجزيئات عبارة عن أنابيب دقيقة ، لكننا لا نعرف ذلك بالتأكيد”. “سيتعين علينا إجراء المزيد من التجارب في المستقبل لمعرفة ذلك.”

لن تكتمل رحلة الكريكيت هذه بدون ذكر “جهاز انقباض الأجنة” الذي صنعه الدكتور دونوج خصيصًا ، والذي صنعه لاختبار فرضيات مختلفة. لقد كرر أسلوبًا قديمًا ولكنه كان مدفوعًا بالعمل السابق مع الدكتور إكستافور وآخرين حول تطور أحجام وأشكال البيض.

سمحت هذه الأداة الغريبة للدكتور دونوج بتنفيذ المهمة الصعبة المتمثلة في لف شعر بشري حول بيضة الكريكيت – وبالتالي تكوين منطقتين ، إحداهما تحتوي على النواة الأصلية والأخرى ملحق مقروص جزئيًا.

ثم راقب الباحثون تصميم الرقصات النووية مرة أخرى. في المنطقة الأصلية ، تباطأت النوى بمجرد وصولها إلى كثافة مزدحمة. ولكن عندما تسللت عدد قليل من النوى عبر النفق عند الانقباض ، تسارعت مرة أخرى ، فتركت مثل الخيول في المراعي المفتوحة.

قال الدكتور دونوج إن هذا كان أقوى دليل على أن حركة النواة كانت محكومة بالهندسة ، و “لا تتحكم فيها إشارات كيميائية عالمية ، أو تدفقات أو إلى حد كبير جميع الفرضيات الأخرى الموجودة هناك لما يمكن أن ينسق بشكل معقول سلوك جنين كامل.”

بحلول نهاية الدراسة ، كان الفريق قد جمع أكثر من 40 تيرابايت من البيانات على 10 محركات أقراص صلبة وصقل نموذجًا هندسيًا حسابيًا أضاف إلى مجموعة أدوات لعبة الكريكيت.

قال الدكتور إكستافور: “نريد أن نجعل أجنة الكريكيت أكثر تنوعًا للعمل معها في المختبر” – أي أكثر فائدة في دراسة جوانب أكثر من علم الأحياء.

قال الدكتور إكستافور إن هذا النموذج يمكنه محاكاة أي حجم وشكل للبيضة ، مما يجعلها مفيدة “كأرض اختبار لأجنة الحشرات الأخرى”. وأشارت إلى أن هذا سيجعل من الممكن مقارنة الأنواع المتنوعة والبحث بشكل أعمق في التاريخ التطوري.

لكن اتفق جميع الباحثين على أن المكافأة الأكبر للدراسة كانت الروح التعاونية.

قال الدكتور إكستافور: “هناك مكان وزمان للمعرفة المتخصصة”. “على قدم المساواة في كثير من الأحيان في الاكتشافات العلمية ، نحن بحاجة إلى الكشف عن أنفسنا للأشخاص الذين لم يستثمروا كما هو الحال في أي نتيجة معينة.”

قال الدكتور إكستافور إن الأسئلة التي طرحها علماء الرياضيات كانت “خالية من جميع أنواع التحيز”. “هذه هي الأسئلة الأكثر إثارة.”

You may also like...