Monday, August 8, 2022
บ้าน เทคโนโลยี การเต้นรำลึกลับของตัวอ่อนคริกเก็ต

การเต้นรำลึกลับของตัวอ่อนคริกเก็ต

โดย admin
0 ความคิดเห็น

ในเดือนมิถุนายน นักวิทยาศาสตร์แมลงวันผลไม้ 100 คนรวมตัวกันที่เกาะครีตของกรีกเพื่อร่วมประชุมทุกสองปี ในหมู่พวกเขาคือ Cassandra Extavour นักพันธุศาสตร์ชาวแคนาดาที่มหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด ห้องทดลองของเธอทำงานร่วมกับแมลงวันผลไม้เพื่อศึกษาวิวัฒนาการและการพัฒนา – “evo devo” ส่วนใหญ่ นักวิทยาศาสตร์เหล่านี้มักเลือกเป็น “สิ่งมีชีวิตจำลอง” ของพวกมันคือ Drosophila melanogaster ซึ่งเป็นม้าทำงานที่มีปีกซึ่งทำหน้าที่เป็นผู้ทำงานร่วมกันของแมลงอย่างน้อยสองสามตัว รางวัลโนเบล ในด้านสรีรวิทยาและการแพทย์

แต่ดร. Extavour ยังเป็นที่รู้จักในด้านการเพาะปลูกสายพันธุ์ทางเลือกในฐานะสิ่งมีชีวิตต้นแบบ เธอสนใจกีฬาคริกเก็ตเป็นพิเศษ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง Gryllus bimaculatus คริกเก็ตสองจุด แม้ว่ามันจะยังไม่สนุกอะไรใกล้กับแมลงวันผลไม้ก็ตาม (ผู้ตรวจสอบหลักประมาณ 250 คนสมัครเข้าร่วมการประชุมที่เกาะครีต)

“มันบ้ามาก” เธอกล่าวระหว่างการสัมภาษณ์ทางวิดีโอจากห้องพักในโรงแรม ขณะที่เธอปัดด้วงออกไป “ถ้าเราพยายามประชุมกับหัวหน้าห้องแล็บที่ทำงานเกี่ยวกับคริกเก็ตสายพันธุ์นั้น อาจมีพวกเราห้าคนหรือ 10 คน”

จิ้งหรีด ได้เข้าร่วมการศึกษาเกี่ยวกับนาฬิกาชีวิต การฟื้นฟูแขนขา การเรียนรู้ ความจำ พวกเขาทำหน้าที่เป็นต้นแบบของโรคและโรงงานผลิตยา พหุคณิตศาสตร์จริงจิ้งหรีด! พวกเขายังเป็นที่นิยมมากขึ้นเช่น อาหารเคลือบช็อกโกแลตหรือไม่ จากมุมมองเชิงวิวัฒนาการ จิ้งหรีดมีโอกาสมากขึ้นในการเรียนรู้เกี่ยวกับบรรพบุรุษของแมลงทั่วไปคนสุดท้าย พวกมันมีลักษณะที่เหมือนกันกับแมลงชนิดอื่นมากกว่าแมลงวันผลไม้ (โดยเฉพาะอย่างยิ่ง แมลงประกอบเป็นสัตว์มากกว่าร้อยละ 85)

การวิจัยของ Dr. Extavour มุ่งเป้าไปที่ปัจจัยพื้นฐาน: ตัวอ่อนทำงานอย่างไร? และอะไรที่อาจเผยให้เห็นว่าสัตว์ตัวแรกเป็นอย่างไร? ตัวอ่อนของสัตว์ทุกตัวมีการเดินทางที่คล้ายคลึงกัน: เซลล์หนึ่งเซลล์มีจำนวนมาก จากนั้นเซลล์เหล่านี้จะจัดเรียงตัวในชั้นผิวของไข่ เพื่อให้เป็นพิมพ์เขียวสำหรับส่วนต่างๆ ของร่างกายที่โตเต็มวัย แต่เซลล์ตัวอ่อน – เซลล์ที่มีจีโนมเหมือนกันแต่ไม่ได้ทำสิ่งเดียวกันกับข้อมูลนั้นทั้งหมด – รู้ว่าจะไปที่ไหนและต้องทำอย่างไร

“นั่นเป็นความลึกลับสำหรับฉัน” ดร. Extavour กล่าว “เป็นที่ที่ฉันอยากไปเสมอ”

Seth Donoughe นักชีววิทยาและนักวิทยาศาสตร์ข้อมูลที่มหาวิทยาลัยชิคาโก และศิษย์เก่าของห้องทดลองของ Dr. Extavour กล่าวถึงเอ็มบริโอว่าเป็นการศึกษาว่าสัตว์ที่กำลังพัฒนาสร้าง “ส่วนที่ถูกต้อง ถูกที่ ในเวลาที่เหมาะสมได้อย่างไร” ในงานวิจัยใหม่ที่มีวิดีโอมหัศจรรย์ของตัวอ่อนคริกเก็ต ซึ่งแสดง “ส่วนที่ถูกต้อง” (นิวเคลียสของเซลล์) บางส่วนที่เคลื่อนไหวในสามมิติ – Dr. Extavour, Dr. Donoughe และเพื่อนร่วมงานพบว่าล้าสมัย เรขาคณิต มีบทบาทนำ

มนุษย์ กบ และสัตว์ที่มีการศึกษาอย่างกว้างขวางอื่นๆ เริ่มต้นจากเซลล์เดียวที่แบ่งเซลล์ออกเป็นเซลล์ๆ แยกกันครั้งแล้วครั้งเล่า ในจิ้งหรีดและแมลงชนิดอื่นๆ ส่วนใหญ่ ในขั้นต้นมีเพียงนิวเคลียสของเซลล์ที่แบ่งตัว ก่อตัวเป็นนิวเคลียสจำนวนมากที่เดินทางผ่านไซโตพลาสซึมที่ใช้ร่วมกัน และต่อมาจะก่อตัวเป็นเยื่อหุ้มเซลล์ของพวกมันเองเท่านั้น

ในปี 2019 Stefano Di Talia นักชีววิทยาด้านพัฒนาการเชิงปริมาณที่มหาวิทยาลัย Duke ศึกษาการเคลื่อนที่ของนิวเคลียสในแมลงวันผลไม้ และแสดงให้เห็นว่าพวกมันถูกพัดพาไปตามกระแสไซโตพลาสซึม ซึ่งคล้ายกับใบไม้ที่ไหลไปตามกระแสน้ำที่ไหลช้าๆ

แต่กลไกอื่นกำลังทำงานในตัวอ่อนของคริกเก็ต นักวิจัยใช้เวลาหลายชั่วโมงในการดูและวิเคราะห์การเต้นด้วยกล้องจุลทรรศน์ของนิวเคลียส: จุดเรืองแสงที่แบ่งและเคลื่อนที่ในรูปแบบที่ทำให้งง ไม่เป็นระเบียบ ไม่สุ่มเสี่ยงในทิศทางและความเร็วที่แตกต่างกัน นิวเคลียสที่อยู่ใกล้เคียงจะซิงค์กันมากกว่าที่อยู่ไกลออกไป การแสดงปฏิเสธท่าเต้นที่มากกว่าแค่ฟิสิกส์หรือเคมี

“รูปทรงเรขาคณิตที่นิวเคลียสเกิดขึ้นเป็นผลมาจากความสามารถในการรับรู้และตอบสนองต่อความหนาแน่นของนิวเคลียสอื่นที่อยู่ใกล้พวกเขา” ดร. เอกซ์เทเวอร์กล่าว Dr. Di Talia ไม่ได้มีส่วนร่วมในการศึกษาใหม่นี้ แต่พบว่ามีการเคลื่อนไหว “เป็นการศึกษาที่สวยงามเกี่ยวกับระบบที่สวยงามและมีความเกี่ยวข้องทางชีวภาพอย่างมาก” เขากล่าว

นักวิจัยคริกเก็ตในตอนแรกใช้วิธีการแบบคลาสสิก: มองอย่างใกล้ชิดและให้ความสนใจ “เราเพิ่งดูมัน” ดร. เอกซ์เทเวอร์ กล่าว

พวกเขาถ่ายวิดีโอโดยใช้กล้องจุลทรรศน์แบบแผ่นแสงเลเซอร์: สแนปชอตจับการเต้นของนิวเคลียสทุกๆ 90 วินาทีในช่วงแปดชั่วโมงแรกของการพัฒนาของตัวอ่อน ซึ่งในช่วงเวลานั้น 500 นิวเคลียสได้สะสมอยู่ในไซโตพลาสซึม (จิ้งหรีดจะฟักออกมาประมาณสองสัปดาห์)

โดยทั่วไปแล้ว สารชีวภาพจะโปร่งแสงและมองเห็นได้ยากแม้จะใช้กล้องจุลทรรศน์แบบอัดแน่นที่สุดก็ตาม แต่ทาโร นากามูระ ซึ่งตอนนั้นเป็นหลังปริญญาเอกในห้องทดลองของ Dr. Extavour ซึ่งปัจจุบันเป็นนักชีววิทยาด้านพัฒนาการที่สถาบัน National Institute for Basic Biology ในเมืองโอกาซากิ ประเทศญี่ปุ่น ได้ออกแบบวิศวกรรม จิ้งหรีดสายพันธุ์พิเศษ ด้วยนิวเคลียสว่า เรืองแสงสีเขียวเรืองแสง. ดังที่ ดร.นากามูระ เล่า เมื่อเขาบันทึกพัฒนาการของตัวอ่อน ผลลัพธ์ที่ได้ “น่าประหลาดใจ”

นั่นคือ “จุดกระโดด” สำหรับกระบวนการสำรวจ ดร. โดเนฟกล่าว เขาถอดความคำพูดที่บางครั้งมาจากนักเขียนนิยายวิทยาศาสตร์และศาสตราจารย์ไอแซก อาซิมอฟ: “บ่อยครั้งที่คุณไม่ได้พูดว่า ‘ยูเรก้า!’ เมื่อคุณค้นพบบางสิ่ง คุณกำลังพูดว่า ‘ห๊ะ มันแปลก.'”

ในขั้นต้น นักชีววิทยาดูวิดีโอแบบวนซ้ำ โดยฉายบนหน้าจอห้องประชุม ซึ่งเทียบเท่ากับคริกเก็ตของ IMAX โดยพิจารณาว่าตัวอ่อนมีขนาดประมาณหนึ่งในสามของเมล็ดข้าว (เมล็ดยาว) พวกเขาพยายามตรวจจับรูปแบบ แต่ชุดข้อมูลมีจำนวนมาก พวกเขาต้องการความเข้าใจเชิงปริมาณมากขึ้น

ดร. Donoughe ติดต่อคริสโตเฟอร์ ไรครอฟต์ นักคณิตศาสตร์ประยุกต์ที่มหาวิทยาลัยวิสคอนซิน-แมดิสัน และแสดงนิวเคลียสการเต้นให้เขาดู ‘ว้าว!’ ดร.ไรครอฟต์กล่าว เขาไม่เคยเห็นอะไรแบบนี้มาก่อน แต่เขาตระหนักดีถึงศักยภาพของการทำงานร่วมกันที่ขับเคลื่อนด้วยข้อมูล เขาและ Jordan Hoffmann ซึ่งเป็นนักศึกษาปริญญาเอกในห้องทดลองของ Dr. Rycroft เข้าร่วมการศึกษาครั้งนี้

จากการคัดกรองหลายครั้ง ทีมคณิตศาสตร์และชีวะไตร่ตรองคำถามมากมาย: มีนิวเคลียสกี่ตัว? พวกเขาเริ่มแบ่งเมื่อไหร่? พวกเขาไปในทิศทางใด? พวกเขาจบลงที่ไหน? เหตุใดบางคนจึงรูดซิปไปรอบๆ และคนอื่นๆ คลานไปมา

ดร. ไรครอฟต์มักทำงานบนทางแยกของชีวิตและวิทยาศาสตร์กายภาพ (ปีที่แล้ว เขาตีพิมพ์เรื่องฟิสิกส์ของกระดาษยู่ยี่) “คณิตศาสตร์และฟิสิกส์ประสบความสำเร็จอย่างมากในการได้มาซึ่งกฎทั่วไปที่ใช้อย่างกว้างๆ และแนวทางนี้อาจช่วยในด้านชีววิทยาได้เช่นกัน” เขากล่าว ดร.เอกซ์เทเวอร์ก็พูดเช่นเดียวกัน

ทีมงานใช้เวลามากมายในการหมุนเวียนความคิดรอบๆ กระดานไวท์บอร์ด ซึ่งมักจะวาดภาพ ปัญหาดังกล่าวเตือนดร. ไรครอฟต์ถึงแผนภาพโวโรนอย a การก่อสร้างทางเรขาคณิต ที่แบ่งช่องว่างออกเป็นภูมิภาคย่อยที่ไม่ทับซ้อนกัน — รูปหลายเหลี่ยมหรือเซลล์ Voronoi ที่แต่ละส่วนเล็ดลอดออกมาจากจุดเมล็ด เป็นแนวคิดที่ใช้งานได้หลากหลายซึ่งนำไปใช้กับสิ่งต่างๆ ได้หลากหลาย เช่น กระจุกดาราจักร เครือข่ายไร้สาย และรูปแบบการเติบโตของหลังคาป่า (ลำต้นของต้นไม้เป็นจุดเมล็ด และมงกุฎคือเซลล์โวโรนอย แนบชิดกันแต่ไม่เบียดเบียนซึ่งกันและกัน ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่เรียกว่าความเขินอายของมงกุฎ)

ในบริบทของคริกเก็ต นักวิจัยคำนวณเซลล์ Voronoi รอบๆ แต่ละนิวเคลียส และสังเกตว่ารูปร่างของเซลล์ช่วยทำนายทิศทางที่นิวเคลียสจะเคลื่อนที่ต่อไป โดยพื้นฐานแล้ว ดร. โดเนฟกล่าวว่า “นิวเคลียสมักจะย้ายเข้าไปอยู่ในที่โล่งในบริเวณใกล้เคียง”

เขาตั้งข้อสังเกตว่าเรขาคณิตเสนอวิธีคิดเชิงนามธรรมเกี่ยวกับกลศาสตร์ของเซลล์ “สำหรับประวัติศาสตร์ส่วนใหญ่ของชีววิทยาเซลล์ เราไม่สามารถวัดหรือสังเกตแรงทางกลได้โดยตรง” เขากล่าว แม้ว่าจะเห็นได้ชัดว่ามี “มอเตอร์ สควอช และแรงผลัก” เกิดขึ้น แต่นักวิจัยสามารถสังเกตรูปแบบทางเรขาคณิตที่มีลำดับสูงกว่าที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงของเซลล์เหล่านี้ “ดังนั้น เมื่อคิดถึงระยะห่างของเซลล์ ขนาดของเซลล์ รูปร่างของเซลล์ เรารู้ว่าพวกมันมาจากข้อจำกัดทางกลในระดับที่ละเอียดมาก” ดร.โดเนฟกล่าว

ในการดึงข้อมูลทางเรขาคณิตประเภทนี้จากวิดีโอคริกเก็ต Dr. Donoughe และ Dr. Hoffmann ได้ติดตามนิวเคลียสทีละขั้นตอน การวัดตำแหน่ง ความเร็ว และทิศทาง

Dr. Hoffmann นักคณิตศาสตร์ประยุกต์ที่ DeepMind ในลอนดอน กล่าวว่า “นี่ไม่ใช่กระบวนการที่ไม่สำคัญ และจบลงด้วยรูปแบบคอมพิวเตอร์วิทัศน์และการเรียนรู้ด้วยเครื่องคอมพิวเตอร์หลายรูปแบบ”

พวกเขายังตรวจสอบผลลัพธ์ของซอฟต์แวร์ด้วยตนเอง โดยคลิกผ่านตำแหน่ง 100,000 ตำแหน่ง เชื่อมโยงเชื้อสายของนิวเคลียสผ่านอวกาศและเวลา ดร.ฮอฟฟ์มันน์พบว่ามันน่าเบื่อ ดร. Donoughe คิดว่าเป็นการเล่นวิดีโอเกม “ซูมด้วยความเร็วสูงผ่านจักรวาลเล็กๆ ในตัวอ่อนเพียงตัวเดียว เย็บเส้นการเดินทางของนิวเคลียสแต่ละอันเข้าด้วยกัน”

จากนั้นพวกเขาได้พัฒนาแบบจำลองการคำนวณที่ทดสอบและเปรียบเทียบสมมติฐานที่อาจอธิบายการเคลื่อนที่และตำแหน่งของนิวเคลียส สรุปแล้ว พวกเขาตัดกระแสไซโตพลาสซึมที่ดร. ดิ ทาเลีย เห็นในแมลงวันผลไม้ พวกเขาหักล้างการเคลื่อนไหวแบบสุ่มและแนวคิดที่ว่านิวเคลียสผลักกันทางร่างกาย

แต่พวกเขามาถึงคำอธิบายที่สมเหตุสมผลโดยสร้างกลไกอื่นที่รู้จักในตัวอ่อนแมลงวันผลไม้และตัวอ่อนพยาธิตัวกลม: มอเตอร์โมเลกุลขนาดเล็กในไซโตพลาสซึมที่ขยายกลุ่มของไมโครทูบูลออกจากแต่ละนิวเคลียส ไม่ต่างจากหลังคาของป่า

ทีมงานเสนอว่าแรงระดับโมเลกุลที่คล้ายกันดึงนิวเคลียสของจิ้งหรีดเข้าสู่พื้นที่ว่าง “โมเลกุลอาจเป็นไมโครทูบูล แต่เราไม่ทราบแน่ชัด” ดร. เอกซ์ทาวูร์กล่าวในอีเมล “เราจะต้องทำการทดลองเพิ่มเติมในอนาคตเพื่อหาคำตอบ”

การแข่งขันคริกเก็ตครั้งนี้จะไม่สมบูรณ์หากไม่ได้กล่าวถึง “อุปกรณ์บีบรัดตัวอ่อน” ของ Dr. Donoughe ซึ่งเขาสร้างขึ้นเพื่อทดสอบสมมติฐานต่างๆ มันทำซ้ำ an โรงเรียนเก่า เทคนิค แต่ได้รับแรงบันดาลใจจากงานก่อนหน้านี้กับ Dr. Extavour และคนอื่น ๆ เกี่ยวกับวิวัฒนาการของ ขนาดและรูปร่างของไข่.

การคุมกำเนิดนี้ทำให้ Dr. Donoughe ทำงานที่พิถีพิถันในการวนผมมนุษย์รอบๆ ไข่จิ้งหรีดได้ — ทำให้เกิดเป็นสองส่วน ส่วนหนึ่งประกอบด้วยนิวเคลียสเดิม ส่วนอีกส่วนหนึ่งเป็นส่วนเสริมที่ถูกหนีบบางส่วน

จากนั้นนักวิจัยได้ดูท่าเต้นนิวเคลียร์อีกครั้ง ในพื้นที่เดิม นิวเคลียสจะชะลอตัวลงเมื่อถึงความหนาแน่นที่หนาแน่น แต่เมื่อนิวเคลียสสองสามตัวลอดผ่านอุโมงค์ตรงบริเวณที่รัด พวกมันก็เร่งขึ้นอีกครั้ง ปล่อยหลวมเหมือนม้าในทุ่งหญ้าโล่ง

นี่เป็นหลักฐานที่หนักแน่นที่สุดว่าการเคลื่อนที่ของนิวเคลียสถูกควบคุมโดยเรขาคณิต ดร. Donoughe กล่าว และ “ไม่ถูกควบคุมโดยสัญญาณเคมีทั่วโลก หรือกระแส หรือสมมติฐานอื่นๆ เกือบทั้งหมดที่มีอยู่สำหรับสิ่งที่อาจประสานพฤติกรรมของตัวอ่อนทั้งหมดได้อย่างน่าเชื่อถือ”

เมื่อสิ้นสุดการศึกษา ทีมงานได้รวบรวมข้อมูลมากกว่า 40 เทราไบต์ในฮาร์ดไดรฟ์ 10 ตัว และปรับแต่งแบบจำลองทางเรขาคณิตเชิงคำนวณที่เพิ่มเข้าไปในชุดเครื่องมือของคริกเก็ต

“เราต้องการทำให้ตัวอ่อนคริกเก็ตใช้งานได้หลากหลายมากขึ้นในห้องปฏิบัติการ” ดร. เอกซ์ทาวูร์กล่าว ซึ่งเป็นประโยชน์มากกว่าในการศึกษาแง่มุมอื่นๆ ของชีววิทยา

แบบจำลองนี้สามารถจำลองขนาดและรูปร่างของไข่ได้ ทำให้มีประโยชน์ในฐานะ “พื้นที่ทดสอบตัวอ่อนแมลงอื่นๆ” ดร. Extavour กล่าว เธอตั้งข้อสังเกตว่าสิ่งนี้จะทำให้สามารถเปรียบเทียบสายพันธุ์ที่หลากหลายและสำรวจลึกลงไปในประวัติศาสตร์วิวัฒนาการได้

แต่รางวัลที่ใหญ่ที่สุดของการศึกษานี้ นักวิจัยทุกคนเห็นพ้องต้องกัน คือจิตวิญญาณแห่งการทำงานร่วมกัน

“มีสถานที่และเวลาสำหรับความรู้เฉพาะทาง” ดร. Extavour กล่าว “บ่อยครั้งเท่าๆ กับการค้นพบทางวิทยาศาสตร์ เราต้องเปิดเผยตัวเองต่อผู้ที่ไม่ได้ลงทุนอย่างเราในผลลัพธ์เฉพาะใดๆ”

คำถามของนักคณิตศาสตร์คือ “ปราศจากอคติ” ดร. เอกซ์ทาเวอร์ กล่าว “นั่นเป็นคำถามที่น่าตื่นเต้นที่สุด”

You may also like

ทิ้งข้อความไว้

Copyright ©️ All rights reserved. | Best of Thailand