در ماه ژوئن، ۱۰۰ 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 های میوه کار می کند تا تکامل و توسعه را مطالعه کند – “evo devo”. اغلب، چنین دانشمندانی گونه‌ی 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.
اما دکتر Extavour همچنین برای پرورش گونه های جایگزین به عنوان موجودات نمونه شناخته شده است. او به خصوص به کریکت، به ویژه Gryllus bimaculatus، جیرجیرک دو نقطه‌ای علاقه‌مند است، حتی اگر هنوز از چیزی نزدیک به مگس میوه لذت نمی‌برد. (حدود ۲۵۰ بازرس اصلی برای شرکت در جلسه کرت درخواست داده بودند.)
او در طول 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 ۱۰ نفر باشیم.”
جیرجیرک ها قبلاً در مطالعات مربوط به ساعت های شبانه روزی، بازسازی اندام ها، 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 پوشش شکلاتی 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. (قابل توجه، حشرات بیش از ۸۵ درصد از گونه های جانوری را تشکیل می دهند.)
هدف تحقیق دکتر 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 ارائه می‌کنند. اما سلول‌های جنینی – سلول‌هایی که ژنوم یکسانی دارند اما همه با آن اطلاعات یک کار را انجام نمی‌دهند – چگونه می‌دانند کجا بروند و چه کاری انجام دهند؟
دکتر Extavour گفت: “این راز برای من است.” “همیشه این جایی است که من می خواهم بروم.”
ست دونو، زیست شناس و دانشمند داده در دانشگاه شیکاگو و دانش آموخته آزمایشگاه دکتر Extavour، جنین شناسی را به عنوان مطالعه چگونگی ساخت یک حیوان در حال رشد “قطعات مناسب در مکان مناسب در زمان مناسب” توصیف کرد. دکتر Extavour، دکتر Donoughe و همکارانشان دریافتند که هندسه قدیمی خوب نقش اصلی را در برخی تحقیقات جدید که شامل ویدئوی شگفت‌انگیز از جنین جیرجیرک است – که بخش‌های راست (هسته‌های سلولی) خاصی را در حال حرکت در سه بعدی نشان می‌دهد.
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 ۲۰۱۹، 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 به همراه می‌آیند – 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.
دکتر Extavour گفت: «هندسه‌هایی که هسته‌ها فرض می‌کنند، نتیجه توانایی آنها در حس کردن و واکنش به چگالی هسته‌های دیگر نزدیک به خود است. 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 Extavour گفت: «ما همین الان آن را تماشا کردیم.
آنها با استفاده از میکروسکوپ ورقه‌ای لیزری فیلم‌برداری کردند: عکس‌های فوری هر ۹۰ ثانیه رقص هسته‌ها را در طول هشت ساعت اولیه رشد جنین، که در آن زمان حدود ۵۰۰ هسته در سیتوپلاسم جمع شده بودند، 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 دکترای آزمایشگاه دکتر اکستاور بود، اکنون زیست‌شناس رشدی در موسسه ملی زیست‌شناسی پایه در اوکازاکی، ژاپن، گونه‌ای از جیرجیرک‌ها را با هسته‌هایی طراحی کرده بود که سبز فلورسنت می‌درخشیدند. همانطور که دکتر ناکامورا گفت، زمانی که او رشد جنین را ثبت کرد، نتایج “شگفت انگیز” بود.
دکتر دونو گفت که این «نقطه پرش» برای فرآیند اکتشافی بود. او اظهاراتی را که گاهی به نویسنده داستان های علمی تخیلی و استاد بیوشیمی ایزاک آسیموف نسبت داده می شود، 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 کریکت IMAX، با توجه به اینکه اندازه جنین ها حدود یک سوم 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 دانو 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 آزمایشگاه دکتر رایکرافت بود، به این مطالعه پیوستند.
طی غربالگری های متعدد، تیم ریاضی-زیست به سؤالات زیادی فکر کرد: چند هسته وجود داشت؟ از کی شروع به تقسیم کردند؟ 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: «ریاضیات و فیزیک در استخراج قوانین 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. این مشکل دکتر رایکرافت را به یاد نمودار Voronoi انداخت، یک ساختار هندسی که یک فضا را به زیرمنطقه‌های غیر همپوشانی تقسیم می‌کند – چند ضلعی‌ها یا سلول‌های Voronoi که هر کدام از یک نقطه بذر سرچشمه می‌گیرند. این یک مفهوم همه کاره است که برای چیزهایی مانند خوشه های کهکشانی، شبکه های بی سیم و الگوی رشد سایبان های جنگلی کاربرد دارد. (تنه درختان نقاط بذر و تاج‌ها سلول‌های ورونوی هستند که به هم نزدیک می‌شوند اما به یکدیگر تجاوز نمی‌کنند، پدیده‌ای که به عنوان کمرویی تاج شناخته می‌شود.)
در زمینه کریکت، محققان سلول Voronoi را در اطراف هر هسته محاسبه کردند و مشاهده کردند که شکل سلول به پیش‌بینی جهت حرکت بعدی هسته کمک می‌کند. اساساً، دکتر دونا گفت: “هسته ها تمایل داشتند به فضای باز مجاور حرکت کنند.”
او خاطرنشان کرد که هندسه روشی انتزاعی از تفکر در مورد مکانیک سلولی را ارائه می دهد. او گفت: «در بیشتر تاریخ زیست‌شناسی سلولی، ما نمی‌توانستیم مستقیماً نیروهای مکانیکی را اندازه‌گیری یا مشاهده کنیم، اگرچه 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. دکتر دانی گفت: «بنابراین، با فکر کردن به فاصله سلول‌ها، اندازه سلول‌ها، شکل سلول‌ها – می‌دانیم که آنها از محدودیت‌های مکانیکی در مقیاس‌های بسیار ظریف ناشی می‌شوند.
برای استخراج این نوع اطلاعات هندسی از ویدیوهای کریکت، دکتر دانو و دکتر هافمن هسته ها را گام به گام، با اندازه گیری مکان، سرعت و جهت ردیابی کردند.
دکتر هافمن، یک ریاضیدان کاربردی که اکنون در DeepMind در لندن است، گفت: “این یک فرآیند پیش پا افتاده نیست، و در نهایت شامل بسیاری از اشکال بینایی کامپیوتری و یادگیری ماشینی می شود.”
آنها همچنین نتایج نرم افزار را به صورت دستی تأیید کردند، با کلیک روی ۱۰۰۰۰۰ موقعیت، دودمان هسته ها را از طریق مکان و زمان به هم مرتبط کردند. دکتر هافمن آن را خسته کننده می دانست. دکتر دانو آن را به عنوان انجام یک بازی ویدیویی تصور می‌کرد که «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 دی تالیا در مگس میوه مشاهده کرد، رد کردند. 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 ایجاد مکانیسم شناخته شده دیگری در مگس میوه و جنین کرم گرد، به توضیح قابل قبولی رسیدند: موتورهای مولکولی مینیاتوری در سیتوپلاسم که خوشه‌هایی از میکروتوبول‌ها را از هر هسته گسترش می‌دهند، بی شباهت به سایبان جنگلی.
این تیم پیشنهاد کرد که نوع مشابهی از نیروی مولکولی، هسته‌های کریکت را به فضای خالی می‌کشاند. دکتر Extavour در ایمیلی گفت: “ممکن است مولکول ها میکروتوبول باشند، اما ما این را به طور قطع نمی دانیم.” ما باید در آینده آزمایش‌های بیشتری انجام دهیم تا متوجه شویم.»
هندسه تنوع
این اودیسه کریکت بدون اشاره به “دستگاه انقباض جنین” سفارشی دکتر دانی، که او برای آزمایش فرضیه های مختلف ساخته است، کامل نمی شود. این یک تکنیک قدیمی را تکرار کرد اما انگیزه کار قبلی با دکتر Extavour و دیگران در مورد تکامل اندازه و شکل تخم مرغ بود.
این ابزار به دکتر دانو اجازه داد تا کار دشوار حلقه کردن یک موی انسان به دور تخم جیرجیرک را انجام دهد – به این ترتیب دو ناحیه تشکیل شد که یکی حاوی هسته اصلی و دیگری یک ضمیمه نیمه فشرده شده بود.
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.
دکتر دونو گفت که این قوی‌ترین شواهد نشان می‌دهد که حرکت هسته‌ها توسط هندسه کنترل می‌شود و «سیگنال‌های شیمیایی جهانی، جریان‌ها یا تقریباً تمام فرضیه‌های دیگر در آنجا برای آنچه که ممکن است رفتار کل جنین را به طور منطقی هماهنگ کند، کنترل نمی‌شود».
در پایان این مطالعه، تیم بیش از ۴۰ ترابایت داده روی ۱۰ دیسک سخت جمع آوری کرده بود و یک مدل محاسباتی و هندسی را که به کیت ابزار کریکت اضافه می کرد، اصلاح کرده بود.
دکتر Extavour گفت: «ما می‌خواهیم جنین‌های کریکت را برای کار در آزمایشگاه تطبیق‌پذیرتر کنیم.» یعنی در مطالعه جنبه‌های بیشتر زیست‌شناسی مفیدتر است.
دکتر Extavour گفت: این مدل می تواند هر اندازه و شکل تخمی را شبیه سازی کند و به عنوان “محل آزمایش برای سایر جنین های حشرات” مفید باشد. او خاطرنشان 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 محققین موافق بودند، روحیه همکاری بود.
دکتر Extavour گفت: “مکان و زمانی برای دانش تخصصی وجود دارد.” “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.”
دکتر Extavour گفت: سؤالات مطرح شده توسط ریاضیدانان “عاری از هر گونه سوگیری بود”. “اینها هیجان انگیزترین سوالات هستند.”