Wbrew powszechnemu przekonaniu to nie geny kontrolują powstawanie periodycznych struktur w zarodkach, tylko proste zjawiska fizyczno-chemiczne. To spostrzeżenie poczynione w toku nowych badań prowadzonych we Francji i w Polsce, których wyniki opublikowano w czasopiśmie Europhysics Letters. Naukowcy zaprezentowali model teoretyczny, który pogłębia wiedzę na temat oddziaływania szumów wewnętrznych i termodynamicznych systemu na proces segmentacji. Odkrycia, jak twierdzą naukowcy, przeczą intuicji w kontekście początkowych spostrzeżeń.

Naukowcy z Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) i Uniwersytetu im. Pierre'a i Marie Curie, współpracujący z Instytutem Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (IChF PAN), twierdzą, że na początkowym etapie embriogenezy kręgowców wykształcają się w ich mezodermie grzbietowej periodyczne segmenty zwane somitami. Z czasem przekształcają się w kręgi i wyrostki ościste. Model zaprezentowany przez zespół pokazuje, jak szumy wewnętrzne występujące w każdym systemie fizycznym oddziałują na formowanie się takich struktur.

"Jesteśmy przekonani, że prawa fizyki i chemii mogą tłumaczyć zjawiska biologiczne i ewolucję żywych organizmów" - powiedział dr hab. Bogdan Nowakowski z IChF PAN. "Z tego powodu podjęliśmy próbę teoretycznego odwzorowania jednego z elementów embriogenezy kręgowców: formowania się periodycznych struktur w somitogenezie. Zrobiliśmy to rozważając najprostsze schematy reakcji chemicznych z udziałem zaledwie kilku składników."

Zdaniem naukowców reakcje oscylujące niezrównoważonych zjawisk zachodzą w roztworach wodnych odpowiednich reagentów o różnych stężeniach. Dodanie do roztworu składnika powoduje wytrącenie układu ze stanu równowagi termodynamicznej. Następnie pojawiają się w cieczy propagujące fronty chemiczne. Z powodu ich obecności zachodzą cykliczne zmiany barwy roztworu. Naukowcy podkreślają, że jeżeli reakcja zachodzi w cienkiej warstwie roztworu, np. na szalce Petriego, można zaobserwować ciągle powstające i rozchodzące się barwne kręgi.

Model zaproponowany przez zespół jest jasny i prosty - twierdzą naukowcy. W sumie w jego skład wchodzą trzy reakcje chemiczne i cztery substancje, których parametry można regulować, aby wywoływać reakcje powodujące wyraźne oscylacje przestrzenne stężeń składników roztworu. W ich wyniku w układzie pojawiły się periodyczne, stabilne w czasie struktury, nazywane przez ekspertów "strukturami Turinga".

"Nasz model jest pracą czysto teoretyczną, sygnałem pokazującym, że za część zjawisk zachodzących podczas somitogenezy mogą odpowiadać naprawdę proste mechanizmy" - mówi dr hab. Nowakowski, który wraz z kolegami potwierdził wpływ wewnętrznego szumu na analizowany proces.

W naturze, zdaniem zespołu, szum jest konsekwencją nieciągłej, cząsteczkowej budowy materii. To nieunikniony efekt stochastyczny pojawiający się w każdym układzie fizycznym. W modelu teoretycznym szum można odpowiednio wprowadzić lub usunąć. To oznacza, że teoretycy mogą dokonać rzeczy nieosiągalnych dla eksperymentatorów - porównać nieistniejący w przyrodzie układ bez szumu z układem z szumem i ocenić, jak fluktuacje termodynamiczne wpływają na proces segmentacji.

"Zazwyczaj zakłada się, że przypadkowy szum zakłóca istniejący porządek" - zauważa dr Nowakowski. "Nasze symulacje dały przeciwny wynik. Po wprowadzeniu szumu do modelu periodyczne struktury zaczęły pojawiać się znacznie szybciej, zaraz po przejściu frontu chemicznego."

© Unia Europejska 2005 - 2011

Źródło: CORDIS

Referencje dokumentu: Lemarchand, A. & Nowakowski, B. (2011) 'Do the internal fluctuations blur or enhance axial segmentation?' EPL; 94 (4): 48004 DOI:10.1209/0295-5075/94/48004.