Когда дело доходит до четвероногих животных, таких как кошки, лошади и олени, или даже людей, концепция походки знакома, но как насчет одноклеточных зеленых водорослей с множественными жгутиками, похожими на конечности?? Последнее открытие, опубликованное в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, показывает, что, несмотря на свою простоту, микроводоросли могут точно так же координировать свои жгутики в прыжках, рыси или галопе.
Многие походки периодичны: будь то стильная походка кошки, изящный галоп лошади или игривый прыжок спрингбока, ключом является порядок или последовательность, в которой эти конечности активируются.
Когда спрингбоки выгибают спину и прыгают, или "пронк", они делают это, поднимая все четыре ноги одновременно высоко в воздух, но когда лошади бегут рысью, во времени вместе движутся вместе противоположные по диагонали ноги.
У позвоночных походка контролируется центральными генераторами паттернов, которые можно рассматривать как сеть нейронных осцилляторов, координирующих выход. В зависимости от взаимодействия между этими осцилляторами создаются определенные ритмы, которые, говоря математически, демонстрируют определенные пространственно-временные симметрии. Другими словами, походка не меняется, когда одна нога меняется на другую – возможно, в другой момент времени, скажем, через четверть цикла или полцикла позже.
Оказывается, та же симметрия характерна и для плавательных походок микроводорослей, которые слишком просты, чтобы иметь нейроны. Например, микроводоросли с четырьмя жгутиками в различных возможных конфигурациях могут бегать рысью, прыгать или галопом, в зависимости от вида.
«Когда я посмотрела в микроскоп и увидела, что водоросль выполняет две серии идеально синхронных брасс, один за другим, я была поражена», – сказала первый автор статьи доктор Кирсти Ван из Департамента прикладной математики и теоретической физики ( DAMTP) в Кембриджском университете. «Я сразу понял, что такое поведение могло быть связано только с чем-то внутри клетки, а не с пассивной гидродинамикой. Тогда, конечно, чтобы доказать это, мне пришлось расширить свою коллекцию видов."
Исследователи определили, что на самом деле сеть эластичных волокон, соединяющих жгутики глубоко внутри клетки, координирует эти разнообразные походки. В простейшем случае хламидомонады, которая плавит брасс с двумя жгутиками, отсутствие определенного волокна между жгутиками приводит к несогласованному биению.
Кроме того, преднамеренное предотвращение биения одного жгутика у водоросли с четырьмя жгутиками не влияет на последовательность биений остальных.
Однако это не означает, что гидродинамика не играет никакой роли. В недавней работе той же группы было показано, что близлежащие жгутики могут быть синхронизированы исключительно за счет их взаимодействия через жидкость. Существует различие между одноклеточными организмами, для которых необходима хорошая координация нескольких жгутиков, и многоклеточными видами или тканями, которые обладают рядом ресничек и жгутиков.
В последнем случае гораздо важнее гидродинамические взаимодействия.
«Как физики наш инстинкт – искать обобщения и универсальные принципы, но мир биологии часто представляет нам множество увлекательных контрпримеров», – сказал профессор Рэй Гольдштейн, профессор сложных физических систем Schlumberger в DAMTP и старший автор статьи. «До сих пор было много конкурирующих теорий относительно синхронизации жгутиков, но я думаю, что мы наконец-то понимаем, как эти разные организмы наилучшим образом используют то, что у них есть."
Полученные данные также поднимают интригующие вопросы об эволюции контроля над периферическими придатками, которые, должно быть, возникли в первую очередь у этих примитивных микроорганизмов.
Это исследование было поддержано исследовательской стипендией Невилла от Колледжа Магдалины и премией старшего исследователя от Wellcome Trust.