13news
Опубликовано: 20:01, 30 январь 2025
Новости науки и космоса

Развитие эмбриона показывает, что у эволюции было много вариантов для выбора

Развитие эмбриона показывает, что у эволюции было много вариантов для выбора


Ученые, исследующие ранние стадии эмбрионального развития, обнаружили, что определенные гены могут быть расположены так, чтобы получить наилучший результат развития.


Исследования на плодовых мушках позволяют предположить, что вместо одного пути развития существует несколько одинаково эффективных решений.


Такой подход может изменить наше представление о биологических процессах, которые раньше казались зацикленными на узком идеале.


Генетика и развитие эмбриона

Исследователи потратили десятилетия на составление карты генетических сигналов, направляющих развитие эмбриона дрозофилы, который созревает всего за сутки.


Томас Соколовски из Австрийского института науки и технологий (ISTA) сосредоточился на том, как эти сигналы могут быть точно распределены перед вылуплением.


Одним из важнейших компонентов является система генов разрыва - сеть, которая помогает клеткам распознать свое место в эмбрионе.


Сообщения от градиентов морфогенов направляют каждый участок в нужную форму, что делает эти гены необходимыми для нормального роста.


Когда-то многие ученые задавались вопросом, можно ли свести весь этот процесс к одной-единственной выигрышной формуле. Они подозревали, что годы адаптации отточили конструкцию плодовой мушки до бритвенно-острого оптимума.


Исследования дрозофилы способствовали важнейшим открытиям - от закономерностей наследования до основ молекулярной биологии. Короткое время генерации и четкая генетическая схема делают эмбрионы плодовой мушки мощным инструментом для изучения эмбриональных особенностей.


Почему оптимизация имеет значение

Согласно одной из точек зрения, адаптация похожа на охоту за эффективностью, в ходе которой ищутся различные решения в поисках того, которое лучше всего подходит к условиям окружающей среды.


«Адаптацию можно рассматривать как процесс оптимизации или, по крайней мере, как процесс, требующий оптимизации определенных признаков и функций», - объясняет Томас Соколовски, первый автор исследования.


Глаза у разных видов хорошо иллюстрируют этот принцип. Они возникли независимо друг от друга, но имеют поразительное сходство, что говорит о том, что физика ограничивает решения и оставляет мало места для кардинально отличающихся конструкций.


Тем не менее, небольшие вариации все же могут возникать, а иногда приводят к появлению совершенно новых структур. Разные животные могут решать одну и ту же задачу, но при этом приходить к совершенно разным ответам, которые, тем не менее, хорошо работают.


Реальные организмы должны жонглировать различными ограничениями, включая доступную энергию и ограниченную концентрацию молекул.


Такое давление часто подталкивает жизнь к рационализированным стратегиям, позволяющим решать несколько задач одновременно.

Следуют ли эмбрионы идеальному плану?

Группа исследователей под руководством биофизика Гашпера Ткачика разработала математические методы, чтобы выяснить, могут ли самые ранние этапы развития плодовой мушки следовать оптимальному плану. 


«Наша ранняя работа показала, что можно получить нетривиальные и изначально неожиданные предсказания для генных регуляторных взаимодействий, оптимизировав их для максимальной информационной пропускной способности в условиях реалистичных биофизических и молекулярных ограничений, - говорит Гашпер Ткачик.


Этот подход объединяет вычислительные модели с реальными наблюдениями за тем, как молекулы движутся и взаимодействуют внутри эмбриона.


Жонглируя более чем 50 параметрами, команда надеялась предсказать, какое расположение генных взаимодействий создаст наилучшую пространственную карту.


Первые прототипы упростили систему, чтобы понять основные идеи. После того как эта основа была заложена, более реалистичные версии учитывали все сложности реального развития плодовой мушки.


Сравнив предсказанные генные паттерны с фактическими данными эмбрионов, исследователи подтвердили, что точный контроль возникает в результате хорошо отлаженной регуляции.


Эта гармония между теорией и экспериментом намекает на то, что генетические системы могут быть сформированы в соответствии с жесткими требованиями.


Удивительные множественные решения

Интригующий поворот заключается в том, что у эмбрионов плодовой мушки может быть не только один способ добиться высококлассного расположения. Различные сети параметров могут давать одинаково высокие результаты, что обеспечивает гибкость эволюционирующим организмам.


Некоторые системы могут предпочитать одни генетические изменения другим. Каждый путь может привести к стабильному результату, что говорит о том, что у эволюции было много вариантов.


Различные пути к одному и тому же результату имеют смысл, если учесть, что небольшие изменения в регуляции генов могут открывать новые возможности.


Эксперты предполагают, что такие вариации могут позволить популяциям справляться с изменениями в окружающей среде, не теряя при этом своих структурных преимуществ.


Множественные оптимальные результаты могут защитить популяции от внезапных изменений климата или ресурсов. Генетический маршрут, работающий в одной среде, может быть заменен на другой, если условия изменятся.


Куда направлены исследования

Ученые надеются смоделировать не только внутренние процессы эмбриона, но и внешнее давление, которое направляет развитие.


Понимание того, как естественный отбор влияет на эти пути, может показать, почему одни генетические изменения остаются, а другие исчезают.


В будущем можно будет изучить, как организмы справляются с противоречивыми задачами, например, балансируют между скоростью роста и исправлением ошибок.



Ctrl
Enter
Заметили ошЫбку
Выделите текст и нажмите Ctrl+Enter
Обсудить (0)

redvid esle