Жгутики и реснички удивительно универсальны: они переносят слизь и изгоняют патогены из наших дыхательных путей, они устанавливают лево-правую асимметрию в развивающихся эмбрионах позвоночных и переносят человеческие яйца через фаллопиевы трубы. Каждая ресничка или жгутик бьется в своем собственном характерном ритме, но где бы ни находились большие группы этих биологических лопастей, они, как правило, гребут синхронно, как будто их ведет рулевой.
Что именно заставляет этих микроскопических гребцов двигаться вместе, остается загадкой.
Эксперименты 1940-х годов показали, что жгутики сперматозоидов быков имеют тенденцию синхронизироваться, когда они плавают близко друг к другу, соединяясь только через окружающую их жидкость. Однако точный механизм, посредством которого группы ресничек и жгутиков синхронизируются друг с другом, не совсем ясен.
Давняя гипотеза заключается в том, что движение жидкости из-за биения жгутиков могло быть причиной их движения в унисон.
Хотя предыдущие экспериментальные результаты соответствовали математическим теориям, описывающим движение жидкости, эти эксперименты не могли исключить другие механизмы достижения синхронизации, такие как химическая сигнализация или физические связи между жгутиками.
Теперь, используя недавно разработанную экспериментальную процедуру, исследователи из Кембриджского университета смогли распутать различные механизмы и показать, что движение жидкости, создаваемое двумя бьющимися жгутиками, само по себе достаточно, чтобы заставить их грести синхронно. Результаты опубликованы сегодня (29 июля) в журнале eLife.
В команду, базирующуюся на кафедре прикладной математики и теоретической физики, входили доктор Дуглас Брамли (сейчас работает в Массачусетском технологическом институте), аспирантка Кирсти Ван, доктор Марко Полин (сейчас работает в Уорикском университете) и профессор Раймонд Э. Голдштейн.
Группа использовала высокоскоростную визуализацию и микроскопию, чтобы наблюдать за жгутиками двух физически разделенных клеток вида зеленой водоросли под названием Volvox carteri. Удерживая клетки на микроманипуляторах, используемых при экстракорпоральном оплодотворении, они могли систематически изменять расстояние между клетками в жидкости. На большом расстоянии два жгутика бьются с разной скоростью, причем ритмы определяются их собственными частотами.
Однако команда обнаружила, что при достаточно близком расположении жгутиков два жгутика могут соединяться в одном ритме для тысяч ударов за раз. Поразительный компромисс между их собственными частотами, каждый из двух жгутиков производит потоки, достаточные для синхронизации их движений.
Кроме того, анализируя временной ряд биений, команда смогла определить силу взаимодействия между жгутиками, которая, как было обнаружено, согласуется с основными расчетами динамики жидкости.
«Это исследование стало кульминацией многолетней работы в этой области, и мы очень рады видеть, как количественный подход к проблеме биологии может дать ответ на фундаментальные вопросы», – сказал д-р Полин.
В отдельной работе, возглавляемой докторами Брамли и Полин, группа исследовала динамику тысяч взаимодействующих жгутиков вольвокса, образующих когерентные узоры, подобные мексиканским волнам на стадионе, которые также, по-видимому, управляются гидродинамическими взаимодействиями между нитями.
В то же время Ван исследовал шумное биение жгутиков водорослей и обнаружил, что они демонстрируют колебания между ударами, которые качественно похожи на колебания сердечных сокращений человека. «Взятые вместе, – говорит Гольдштейн, – эти результаты показывают замечательный способ, которым зеленые водоросли могут служить модельными организмами для решения динамических проблем, связанных со здоровьем и болезнями человека. В этом конкретном случае координация жгутиков играет жизненно важную роль в явлениях, варьирующихся от развития эмбриона до физиологии дыхания, и, таким образом, поиск механизмов, лежащих в основе синхронизации, может дать понимание по многим направлениям."
Видео: http: // www.YouTube.com / watch?v = XDMCDulmttM & feature = youtu.быть