رقص مرموز جنین های کریکت

در ماه ژوئن، 100 دانشمند مگس میوه در جزیره یونانی کرت برای نشست دوسالانه خود گرد هم آمدند. در میان آنها کاساندرا اکستاور، ژنتیک دان کانادایی در دانشگاه هاروارد بود. آزمایشگاه او با مگس میوه برای مطالعه تکامل و توسعه – “evo devo” کار می کند. اغلب، چنین دانشمندانی گونه مگس سرکه مگس سرکه را به عنوان «ارگانیسم نمونه» انتخاب می‌کنند – اسب کاری بالدار که در حداقل چند جایزه نوبل در فیزیولوژی و پزشکی به عنوان همکار حشرات عمل کرده است.

غرفه دکتر Extavour همچنین برای پرورش گونه های جایگزین به عنوان ارگانیسم های مدل شناخته شده است. او به خصوص به جیرجیرک، به ویژه Gryllus bimaculatus، جیرجیرک دو نقطه‌ای صحرایی علاقه‌مند است، حتی اگر هنوز از چیزی نزدیک به مگس میوه لذت نمی‌برد. (حدود 250 بازرس اصلی برای شرکت در جلسه کرت درخواست داده بودند.)

او در طی یک مصاحبه ویدیویی از اتاق هتلش، در حالی که یک سوسک را از بین می برد، گفت: “این دیوانه است.” “اگر ما سعی می‌کردیم با همه روسای آزمایشگاه‌هایی که روی آن گونه کریکت کار می‌کنند جلسه‌ای داشته باشیم، ممکن است پنج نفر یا 10 نفر باشیم.”

جیرجیرک ها قبلاً در مطالعات مربوط به ساعت شبانه روزی، بازسازی اندام، یادگیری، حافظه ثبت نام کرده اند. آنها به عنوان مدل های بیماری و کارخانه های داروسازی خدمت کرده اند. چند ریاضیات واقعی، جیرجیرک! آنها همچنین به عنوان غذا به طور فزاینده ای محبوب هستند، چه با روکش شکلات یا بدون پوشش. از دیدگاه تکاملی، جیرجیرک ها فرصت های بیشتری برای یادگیری در مورد آخرین جد مشترک حشره ارائه می دهند. آنها نسبت به مگس میوه دارای صفات مشترک بیشتری با سایر حشرات هستند. (به ویژه، حشرات بیش از 85 درصد از گونه های جانوری را تشکیل می دهند.)

دکتر. هدف تحقیق Extavour این است: جنین ها چگونه کار می کنند؟ و چه چیزی ممکن است در مورد چگونگی پیدایش اولین حیوان آشکار کند؟ هر جنین حیوانی سفر مشابهی را دنبال می‌کند: یک سلول چندتایی می‌شود، سپس آنها خود را در لایه‌ای در سطح تخم قرار می‌دهند و یک طرح اولیه برای تمام اعضای بدن بالغ فراهم می‌کنند. اما چگونه سلول‌های جنینی – سلول‌هایی که ژنوم یکسانی دارند اما همه با آن اطلاعات یک کار را انجام نمی‌دهند – می‌دانند به کجا مراجعه کنند و چه کاری انجام دهند؟

دکتر “این راز برای من است.” Extavour گفت. “همیشه این جایی است که من می خواهم بروم.”

ست دانو، زیست شناس و دانشمند داده در دانشگاه شیکاگو و دانش آموخته دکتر. آزمایشگاه Extavour، جنین شناسی را به عنوان مطالعه چگونگی ساختن یک حیوان در حال رشد “قطعات مناسب در مکان مناسب در زمان مناسب” توصیف کرد. در برخی از تحقیقات جدید که شامل ویدیوی شگفت‌انگیز از جنین جیرجیرک است – که بخش‌های راست خاصی (هسته‌های سلولی) را در حال حرکت در سه بعدی نشان می‌دهد – دکتر. اکستاور، دکتر. دانو و همکارانشان دریافتند که هندسه خوب قدیمی نقش اصلی را ایفا می کند.

انسان ها، قورباغه ها و بسیاری دیگر از حیواناتی که به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته اند، به عنوان یک سلول منفرد شروع می شوند که بلافاصله دوباره و دوباره به سلول های جداگانه تقسیم می شوند. در جیرجیرک‌ها و اکثر حشرات دیگر، در ابتدا فقط هسته سلولی تقسیم می‌شود و هسته‌های زیادی را تشکیل می‌دهند که در سراسر سیتوپلاسم مشترک حرکت می‌کنند و تنها بعداً غشاهای سلولی خود را تشکیل می‌دهند.

در سال 2019، استفانو دی تالیا، زیست‌شناس رشد کمی در دانشگاه دوک، حرکت هسته‌ها را در مگس میوه مورد مطالعه قرار داد و نشان داد که این هسته‌ها توسط جریان‌های ضربانی در سیتوپلاسم حمل می‌شوند – کمی شبیه برگ‌هایی که روی گرداب‌های آهسته حرکت می‌کنند. – جریان متحرک

اما مکانیسم دیگری در جنین جیرجیرک کار می کرد. محققان ساعت‌ها را صرف تماشا و تجزیه و تحلیل رقص میکروسکوپی هسته‌ها کردند: هسته‌های درخشانی که در یک الگوی گیج‌کننده تقسیم و حرکت می‌کنند، نه کاملاً منظم، نه کاملاً تصادفی، در جهت‌ها و سرعت‌های متفاوت، هسته‌های همسایه هماهنگ‌تر از هسته‌های دورتر هستند. اجرا رقصی فراتر از فیزیک یا شیمی صرف را رد کرد.

«هندسه‌هایی که هسته‌ها می‌پذیرند، نتیجه توانایی آن‌ها در حس کردن و واکنش به چگالی هسته‌های دیگر نزدیک به خود است.» Extavour گفت. دکتر. دی تالیا در مطالعه جدید شرکت نداشت اما متوجه شد که در حال حرکت است. او گفت: “این یک مطالعه زیبا از یک سیستم زیبا با ارتباط بیولوژیکی بزرگ است.”

سفر هسته ها

محققان کریکت در ابتدا یک رویکرد کلاسیک را در پیش گرفتند: از نزدیک نگاه کنید و توجه کنید. دکتر “ما فقط آن را تماشا کردیم.” Extavour گفت.

آنها با استفاده از میکروسکوپ ورقه ای نور لیزری فیلم گرفتند: عکس های فوری هر 90 ثانیه رقص هسته ها را در طول هشت ساعت اولیه رشد جنین، که در آن زمان حدود 500 هسته در سیتوپلاسم جمع شده بود، ثبت کردند. (جرجیرک ها بعد از حدود دو هفته از تخم بیرون می آیند.)

به طور معمول، مواد بیولوژیکی نیمه شفاف هستند و حتی با میکروسکوپ‌ترین میکروسکوپ به سختی قابل مشاهده هستند. اما تارو ناکامورا که در آن زمان فوق دکترا در Dr. آزمایشگاه Extavour که اکنون یک زیست شناس رشدی در موسسه ملی زیست شناسی پایه در اوکازاکی، ژاپن است، گونه خاصی از جیرجیرک ها را با هسته هایی که سبز فلورسنت می درخشند مهندسی کرده بود. همانطور که دکتر ناکامورا گفت، زمانی که رشد جنین را ثبت کرد، نتایج “شگفت انگیز” بود.

این “نقطه پرش” برای فرآیند اکتشافی بود، دکتر. دونا گفت. او اظهاراتی را که گاهی به نویسنده داستان های علمی تخیلی و استاد بیوشیمی ایزاک آسیموف نسبت می دهند، نقل کرد: “اغلب، شما نمی گویید “اورکا!” وقتی چیزی را کشف می کنید، می گویید: “هه. این عجیب است.»

در ابتدا زیست شناسان ویدئوها را به صورت حلقه ای تماشا کردند که روی صفحه اتاق کنفرانس نمایش داده می شد – معادل جیرجیرک IMAX، با توجه به اینکه اندازه جنین ها حدود یک سوم یک دانه برنج (دانه بلند) است. آنها سعی کردند الگوها را شناسایی کنند، اما مجموعه داده ها بسیار زیاد بود. آنها به هوش کمی بیشتر نیاز داشتند.

دکتر. دونا با کریستوفر رایکرافت، ریاضیدان کاربردی که اکنون در دانشگاه ویسکانسین-مدیسون است، تماس گرفت و هسته های رقصنده را به او نشان داد. ‘وای!’ دکتر. رایکرافت گفت. او هرگز چیزی شبیه به آن را ندیده بود، اما او پتانسیل یک همکاری مبتنی بر داده را تشخیص داد. او و جردن هافمن که در آن زمان دانشجوی دکترا در Dr. آزمایشگاه رایکرافت به این مطالعه پیوست.

طی غربالگری های متعدد، تیم ریاضی-زیست به سؤالات زیادی فکر کرد: چند هسته وجود داشت؟ از کی شروع به تقسیم کردند؟ آنها به چه جهتی می رفتند؟ به کجا رسیدند؟ چرا برخی در اطراف زیپ می زدند و برخی دیگر خزیده بودند؟

دکتر. رایکرافت اغلب در چهارراه علوم زیستی و فیزیکی کار می کند. (سال گذشته، او درباره فیزیک مچاله کردن کاغذ منتشر کرد.) او گفت: «ریاضی و فیزیک در استخراج قواعد کلی که به طور گسترده کاربرد دارند، موفقیت زیادی داشته اند، و این رویکرد ممکن است در زیست شناسی نیز کمک کند. دکتر. Extavour هم همین را گفته است.

تیم زمان زیادی را صرف چرخاندن ایده ها در یک تخته سفید کرد و اغلب به کشیدن تصاویر پرداخت. مشکل به یاد دکتر افتاد. رایکرافت از یک نمودار ورونوی، یک ساختار هندسی که یک فضا را به زیرمنطقه‌های غیرهمپوشانی تقسیم می‌کند – چندضلعی‌ها یا سلول‌های ورونوی که هر کدام از یک نقطه بذر سرچشمه می‌گیرند. این یک مفهوم همه کاره است که در موارد مختلفی مانند خوشه‌های کهکشانی، شبکه‌های بی‌سیم و الگوی رشد سایبان‌های جنگلی کاربرد دارد. (تنه درختان نقاط بذر و تاج ها سلول های ورونوی هستند که از نزدیک به هم چسبیده اند اما به یکدیگر تجاوز نمی کنند، پدیده ای که به عنوان کمرویی تاج شناخته می شود.)

در زمینه کریکت، محققان سلول Voronoi را در اطراف هر هسته محاسبه کردند و مشاهده کردند که شکل سلول به پیش بینی جهت حرکت بعدی هسته کمک می کند. اساساً دکتر دونا گفت: “هسته ها تمایل داشتند به فضای باز مجاور حرکت کنند.”

او خاطرنشان کرد که هندسه روشی انتزاعی برای تفکر در مورد مکانیک سلولی ارائه می دهد. او گفت: «در بیشتر تاریخ زیست‌شناسی سلولی، ما نمی‌توانستیم مستقیماً نیروهای مکانیکی را اندازه‌گیری یا مشاهده کنیم، حتی اگر واضح بود که «موتورها و له کردن و هل دادن» در کار بودند. اما محققان می‌توانند الگوهای هندسی درجه بالاتری را که توسط این دینامیک سلولی تولید می‌شوند، مشاهده کنند. “بنابراین، با فکر کردن به فاصله سلول ها، اندازه سلول ها، شکل سلول ها – ما می دانیم که آنها از محدودیت های مکانیکی در مقیاس های بسیار ظریف ناشی می شوند.” دونا گفت.

برای استخراج این نوع اطلاعات هندسی از ویدیوهای کریکت، دکتر. دونو و دکتر. هافمن گام به گام هسته ها را ردیابی کرد و مکان، سرعت و جهت را اندازه گرفت.

دکتر “این یک فرآیند پیش پا افتاده نیست، و در نهایت شامل بسیاری از اشکال بینایی کامپیوتری و یادگیری ماشینی می شود.” هافمن، یک ریاضیدان کاربردی که اکنون در DeepMind در لندن مشغول به کار است، گفت.

آنها همچنین نتایج نرم افزار را به صورت دستی تأیید کردند، روی 100000 موقعیت کلیک کردند و دودمان هسته ها را از طریق مکان و زمان به هم مرتبط کردند. دکتر. هافمن آن را خسته کننده می دانست. دکتر. دونا آن را به عنوان یک بازی ویدیویی می‌دانست، “با سرعت بالا در جهان کوچک درون یک جنین بزرگ می‌شود و رشته‌های سفر هر هسته را به هم می‌دوخت.”

سپس یک مدل محاسباتی ایجاد کردند که فرضیه هایی را که ممکن است حرکات و موقعیت هسته ها را توضیح دهد، آزمایش و مقایسه کرد. در مجموع، آنها جریان سیتوپلاسمی را که دکتر Dr. دی تالیا در مگس میوه دید. آنها حرکت تصادفی و این تصور را که هسته ها به طور فیزیکی یکدیگر را از هم جدا می کنند را رد کردند.

در عوض، آنها با ساختن مکانیسم شناخته شده دیگری در مگس میوه و جنین کرم گرد به توضیح قابل قبولی رسیدند: موتورهای مولکولی مینیاتوری در سیتوپلاسم که خوشه هایی از میکروتوبول ها را از هر هسته گسترش می دهند، بی شباهت به تاج پوشش جنگلی.

این تیم پیشنهاد کرد که نوع مشابهی از نیروی مولکولی، هسته‌های کریکت را به فضای خالی می‌کشاند. دکتر دکتر می‌گوید: «ممکن است مولکول‌ها میکروتوبول باشند، اما ما مطمئن نیستیم. Extavour در یک ایمیل گفت. ما باید در آینده آزمایش های بیشتری انجام دهیم تا متوجه شویم.»

هندسه تنوع

این اودیسه کریکت بدون ذکر دکتر کامل نخواهد بود. “دستگاه انقباض جنین” سفارشی دانو، که او برای آزمایش فرضیه های مختلف ساخت. این یک تکنیک قدیمی را تکرار می کرد اما انگیزه کار قبلی با دکتر بود. Extavour و دیگران در مورد تکامل اندازه و شکل تخم مرغ.

این ابزار به دکتر اجازه داد. دونا باید کار دشوار حلقه کردن یک موی انسان به دور تخم جیرجیرک را انجام دهد – بدین ترتیب دو ناحیه تشکیل می شود، یکی حاوی هسته اصلی، و دیگری یک ضمیمه نیمه فشرده شده.

سپس، محققان دوباره رقص هسته ای را تماشا کردند. در منطقه اصلی، هسته ها به محض رسیدن به تراکم شلوغ، کند شدند. اما وقتی چند هسته از تونل در تنگه عبور کردند، دوباره سرعت گرفتند و مانند اسب‌ها در مرتع آزاد رها شدند.

این قوی‌ترین مدرکی بود که نشان می‌داد حرکت هسته‌ها توسط هندسه اداره می‌شد. دانو می‌گوید، و “با سیگنال‌های شیمیایی جهانی، جریان‌ها یا تقریباً تمام فرضیه‌های دیگر برای آنچه که به طور منطقی رفتار یک جنین را هماهنگ می‌کند، کنترل نمی‌شود.”

در پایان این مطالعه، تیم بیش از 40 ترابایت داده را روی 10 دیسک سخت جمع‌آوری کرد و یک مدل محاسباتی و هندسی را که به کیت ابزار کریکت اضافه می‌کرد، اصلاح کردند.

“ما می خواهیم جنین های کریکت را برای کار در آزمایشگاه همه کاره تر کنیم.” Extavour گفت – یعنی در مطالعه حتی بیشتر جنبه های زیست شناسی مفیدتر است.

دکتر Dr. Extavour گفت. او اشاره کرد که این امکان مقایسه گونه های مختلف و کاوش عمیق تر در تاریخ تکامل را فراهم می کند.

اما بزرگترین پاداش این مطالعه، همه محققان موافق بودند، روحیه همکاری بود.

دکتر “مکان و زمانی برای دانش تخصصی وجود دارد.” Extavour گفت. به همان اندازه در اکتشافات علمی، ما باید خود را در معرض افرادی قرار دهیم که به اندازه ما در هیچ نتیجه خاصی سرمایه گذاری نمی کنند.»

سوالات مطرح شده توسط ریاضیدانان “عاری از هر گونه سوگیری بود.” Extavour گفت. “اینها هیجان انگیزترین سوالات هستند.”