Откуда у животных резкие пятна
Синтез пигментов и вообще поведение клеток зависит от генов. Можно предположить, что для сложных пятнисто-полосатых узоров должны быть какие-то очень сложные генетические программы. Однако ещё в середине прошлого века великий математик и логик Алан Тьюринг, один из отцов информатики, показал, как можно обойтись здесь без лишних сложностей.
Во времена Тьюринга о молекулярных принципах работы генов не было известно почти ничего, тем не менее, он понимал, что в клетках и живых тканях есть некие химические вещества, которые распределяются неравномерно. Это значит, что их концентрация будет нарастать в одних направлениях, уменьшаясь в других. Иными словами, во время эмбрионального развития в зародыше будут формироваться градиенты неких веществ. И, что важно, градиент формируется благодаря диффузии. То есть, например, некий белок начинают активно синтезировать клетки передней части зародыша; этот белок постепенно плывёт к задней части зародыша, но чем дальше, тем меньше его становится. То же самое, только наоборот, происходит с белками, синтезируемыми только в задней части, или только в верхней, только в нижней и т. д.
Белки градиентов могут включать или подавлять собственные гены и гены других белков по всему телу – включать и подавлять сильнее или слабее. Кроме того, они могут сотрудничать или конкурировать друг с другом. Таким образом, активность одних и тех же генов в разных частях тела будет определяться соотношением концентраций градиентных белков, а соотношение их концентраций будет зависеть от их диффузии по тканям. По ходу диффузии возникают повторяющиеся очаги активности определённых генов, что объясняет не только красочные узоры, но и появление каких-то морфологических структур, зачатков органов и частей тела.
При этом если мы посмотрим на взаимную диффузию двух красок в растворе, то резкой границы между ними мы не увидим. Между тем периодические пятна и полосы на теле животных очень часто имеют резкие границы, без плавных переходов. Сотрудники Колорадского университета в Боулдере решили узнать, как можно уточнить тьюринговскую модель так, чтобы она давала натуральную резкость узора. Исследователи вдохновлялись кузовковой рыбой Aracana ornata, покрытой узором в виде чётких шестиугольных жёлто-синих пятен. Обычная диффузия даст сглаженные синие кружки на жёлтом фоне. (Стоит ещё раз подчеркнуть, что сейчас речь идёт не о диффузии самих пигментов, а о диффузии белков, которые включают – или подавляют – синтез пигментов.) Однако резкие шестиугольники появятся, если уравнения диффузии будут учитывать так называемый диффузиофорез.
Aracana ornata и фрагмент её натурального узора (крайний слева), узора, смоделированного по Тьюрингу (в центре) и узора, смоделированного по Тьюрингу и с учётом диффузиофорезного движения клеток (справа). Фото: The Birch Aquarium / Scripps Institution of Oceanography, Benjamin Alessio / University of Colorado Boulder.
Так называют попутное движение коллоидных частиц микронного масштаба – их увлекают за собой намного более мелкие молекулы, диффундирующие по градиенту концентрации. У диффузиофореза есть бытовой пример: намыленная грязная ткань лучше избавляется от грязи, если погрузить её в чистую воду без мыла, и хуже, если она окажется в мыльной воде. В чистой воде движение мыла в сторону меньшей концентрации (то есть из ткани в окружающую воду) будет сильнее, соответственно, вслед за мылом будут активнее двигаться частицы грязи. В мыльной воде перепад концентраций мыла меньше, диффузия слабее, и частицы грязи не будут так уж сильно увлекаться за мылом.
В случае живой ткани роль коллоидных частиц принадлежит клеткам с пигментом. Концентрация клеток не важна, главное, что вокруг них движутся различные молекулы. Движение самих клеток делает резкие границы между элементами узора – тут нужно помнить, что диффундирует не один белок, а несколько, причём диффундирующие белки могут действовать на синтез какого-нибудь пигмента противоположным образом. Поскольку это клетки пигментные, то получается, что пигмент всё-таки движется, пусть и внутри клеток. Моделирование расцветки A. ornata и мурены Muraena lentiginosa (тоже пятнистой окраски) с учётом попутного движения клеток дало узор, намного более похожий на естественный, чем когда моделирование делали только классическим тьюринговским способом. Результаты описаны в Science Advances, и они, очевидно, пригодятся в разных научных областях, как фундаментальных, так и сугубо практических – поскольку диффузия белков, как было сказано, важна не только для формирования расцветки, но и для разных других эмбриональных процессов.