Верите во всемогущество ДНК? Зря. Оказывается, дизайн каждого живого существа на Земле определяет кое-что другое

Живые организмы выглядят по-разному не только из-за генов. Новая работа исследователей из Европейской лаборатории молекулярной биологии и Женевского университета показывает: форма тела во многом зависит от механических свойств тканей. Ученые предложили рассматривать организм через так называемый механотип — набор параметров, которые описывают, как ткани растягиваются, сжимаются и создают внутренние силы.

Разнообразие форм в природе давно ставит вопросы. Морская звезда, червь и человек отличаются радикально, но даже близкие группы могут выглядеть совершенно по-разному. Кораллы, медузы и морские анемоны относятся к одному типу — кишечнополостные, но их тела сильно различаются. Классическая биология объясняла такие различия через генотип, то есть набор генов. Однако геном сам по себе не отвечает на вопрос, как именно ткани изгибаются, растут и перестраиваются в процессе морфогенеза — формирования формы организма.

Команда под руководством Айссама Икми обратилась к механобиологии — области, которая изучает влияние физических сил на развитие живых систем. В ходе развития форму задают не отдельные клетки, а коллективные взаимодействия внутри тканей. Клетки создают напряжения, ограничивают друг друга, формируют внутренние силы. Именно на этом уровне, по мнению исследователей, возникает разнообразие форм у разных видов.

Для проверки гипотезы понадобилось объединить биологию, физику и математику. Экспериментальную часть построили на кишечнополостных организмах — удобной модели с простым строением и большим разнообразием форм. Теоретическую основу разработали физики и математики, которые описали систему через минимальное число параметров. Такой подход хорошо известен в физике: сложное поведение можно объяснить через несколько ключевых переменных, если выбрать правильный масштаб описания.

Анализ шести видов — двух кораллов, двух морских анемонов и двух гидроидов — позволил выделить три механических модуля. Эти модули определяют два базовых параметра формы: вытянутость и полярность. Вытянутость показывает, насколько тело растянуто вдоль оси. Полярность описывает асимметрию — например, шире ли часть с ротовым отверстием по сравнению с основанием. Меняя параметры модулей, ученые получили разные комбинации формы. Каждая комбинация соответствует конкретному виду и получила название механотипа.

Механотип связывает молекулярные процессы и итоговую форму. Гены задают изменения на уровне молекул, но предсказать форму напрямую по геному пока невозможно. Механотип выступает промежуточным уровнем, где информация становится пригодной для количественного описания. По сути, модель переводит биологию на язык физических параметров.

Дальше исследователи проверили, можно ли менять форму через вмешательство в механические свойства. Эксперименты провели на морской анемоне Nematostella. В норме личинки вытянутые и имеют узкий оральный конец. После генетического воздействия, которое затрагивает один из модулей — так называемый нематический порядок, личинки становились округлыми. Изменение одного параметра заметно перестраивало форму.

С полярностью оказалось сложнее. Чтобы изменить распределение ширины тела, пришлось одновременно вмешиваться в несколько механических модулей. Только такая комбинация позволила получить форму, похожую на другой вид — Aiptasia. Разница между вытянутостью и полярностью показывает, что разные характеристики формы зависят от разного числа параметров и могут требовать более сложной настройки.

Эксперименты подтвердили, что форму можно не только описывать, но и предсказывать и менять, опираясь на механотип. Модель активной поверхности, которую использовали в работе, позволила связать наблюдаемые изменения с конкретными параметрами.

Подход развивает идеи, высказанные еще в начале XX века биологом и математиком Д'Арси Томпсоном. Он предполагал, что законы физики играют ключевую роль в формировании живых структур. Современная работа показывает, как такие идеи можно применить на практике с использованием экспериментальных данных и математических моделей.

Дальнейшие исследования команда планирует сосредоточить на других стадиях развития кишечнополостных, включая полипную фазу, а также расширить набор изучаемых видов. Это позволит проверить, насколько универсальной окажется модель механотипов для объяснения эволюционного разнообразия форм.