พับร่างกาย คลายออก แล้วพับอีกครั้ง - งานที่ซับซ้อนของ "สัตว์ที่เรียบง่ายที่สุด"

"ไม่มีสมอง" "ไม่มีกล้ามเนื้อ" "ไม่มีปากหรือกระเพาะอาหาร" — สิ่งมีชีวิตที่สามารถ "พับ" และ "ขยาย" ร่างกายของมันเหมือนกับการพับกระดาษเพื่อสร้างรูปร่างสามมิติ Prakash Lab ของมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดได้ค้นพบการ "พับเนื้อเยื่อ" แบบใหม่ที่ไม่เคยรายงานในธรรมชาติมาก่อนในสิ่งมีชีวิตที่เรียบง่ายที่สุดชนิดหนึ่งคือสัตว์แผ่น (Placozoa) Trichoplax adhaerens (ต่อไปจะเรียกว่า Trichoplax) Phys.org

ความหมายของ "สัตว์แบน" ขนาด 1 มม. ที่เปลี่ยนเป็นรูปร่างสามมิติ

Trichoplax เป็นสัตว์โปร่งแสงที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 1 มม. ประกอบด้วยชั้นเยื่อบุผิวสองชั้นและชั้นระหว่าง ไม่มีระบบประสาท (นิวรอน) หรือกล้ามเนื้อ ถึงแม้จะเป็นเช่นนั้น มันสามารถ "ล่า" สาหร่ายเพื่อกินและป้องกันตัวจากศัตรูด้วยพิษ ซึ่งทำให้นักวิจัยสนใจในพฤติกรรมที่ไม่คาดคิดนี้ BioInteractive

Trichoplax มักถูกกล่าวถึงว่าเป็น "สิ่งมีชีวิตแบนที่เคลื่อนที่ใน 2D" แต่การวิจัยครั้งนี้ได้พลิกกลับ "สมมติฐาน" นั้น Trichoplax สามารถพับร่างกายและเปลี่ยนเป็นรูปทรง 3D ขึ้นอยู่กับสถานการณ์ และการพับนั้นไม่ใช่แบบเดียวที่ตายตัว แต่มีความหลากหลายแบบ **non-stereotyped** Dryad

ไม่ใช่แค่ "cilia = ขนที่เคลื่อนน้ำ"

จุดสำคัญคือ cilia (ขนเซลล์) ที่งอกบนพื้นผิวเซลล์ โดยทั่วไป cilia มักถูกมองว่าเป็น "อวัยวะสำหรับของเหลว" ที่ช่วยเคลื่อนเมือกในทางเดินหายใจหรือช่วยสิ่งมีชีวิตขนาดเล็กว่ายน้ำในน้ำ แต่ทีมวิจัยได้แสดงให้เห็นว่า cilia ของ Trichoplax เคลื่อนที่เหมือน "เดิน" บนพื้นผิวเพื่อสร้างรูปร่างของเนื้อเยื่อ Phys.org

ในความเป็นจริง การ "เดิน" บนพื้นผิวด้วย cilia นอกเหนือจากการ "ว่ายน้ำ" ด้วย cilia นั้นเป็นที่รู้จักในบริบทของชีววิทยาอยู่แล้ว มีการกล่าวถึงว่า Trichoplax ใช้ cilia ในการ "เดิน" บนพื้นผิว OUP Academic

อย่างไรก็ตาม ความใหม่ของการวิจัยนี้คือ การเดินนั้นไม่เพียงแต่เป็นการเคลื่อนที่ แต่ยังเป็นแหล่งขับเคลื่อนการเปลี่ยนแปลงรูปร่างที่ "พับและคลายแผ่นเยื่อบุผิว" Life Science Network

การพับเกิดจาก "สิ่งแวดล้อมและการเคลื่อนไหว" ไม่ใช่ "แผนการ"

การพับเยื่อบุผิวที่ถูกกล่าวถึงในตำราเกี่ยวกับการพัฒนาของตัวอ่อนมักมีภาพลักษณ์ของ "ขั้นตอนที่กำหนด" ที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของเซลล์ การเจริญเติบโต และสัญญาณโมเลกุล แต่การวิจัยนี้แสดงให้เห็นว่า การพับ/คลายของ Trichoplax ไม่ได้เป็นเส้นทางเดียวที่ชัดเจนเช่น "พับตรงนี้→ต่อไปที่นี่→…"
ทีมวิจัยได้สรุปว่า การเปลี่ยนแปลงระหว่างสถานะพับและคลายเกิดขึ้นจากการยึดเกาะระหว่าง cilia กับพื้นผิว (substrate) และแรงที่เกิดจากการเดินของ cilia เป็นผลจาก **สิ่งแวดล้อม (รูปร่างของพื้นผิว) และการเคลื่อนไหว (motility)** Dryad

นี่คือเหตุผลที่เรียกว่า "เหมือนการพับกระดาษ" การพับกระดาษมีข้อจำกัดในการ "พับ" และรูปร่างถูกกำหนดโดยเส้นพับและเงื่อนไขรอบข้าง (วิธีการกดและสนับสนุน) แผ่นเยื่อบุผิวของสิ่งมีชีวิตก็เช่นกัน ฟิสิกส์ของแผ่นบางมีผล การวิจัยนี้เป็นตัวอย่างที่ชัดเจนของการใช้ฟิสิกส์นั้น โดยไม่ต้องใช้ระบบประสาท Phys.org

การติดตาม "พับ" และ "คลาย" ด้วยกล้องจุลทรรศน์ 4D และข้อมูลขนาดใหญ่

พวกเขาใช้กล้องจุลทรรศน์แสงแผ่นฟลูออเรสเซนต์ 4D เพื่อวัดเชิงปริมาณของเรขาคณิต (ความโค้ง) ของสถานะพับ การเปลี่ยนแปลงความโค้งในกระบวนการคลาย และการกระจายเวลาที่ใช้ในการคลาย นอกจากนี้ การทดลองซ้ำๆ ยังแสดงให้เห็นว่า "การคลาย" มีความทนทานเพียงใด และการวิเคราะห์การสเกลหรือการจำลองแบบโมเดลของเล่นแสดงให้เห็นว่า กิจกรรมของ cilia ที่รวมกันสามารถขับเคลื่อนการคลายได้อย่างมั่นคงอย่างไร Dryad

ข้อมูลที่เปิดเผยอยู่ใน Dryad มีปริมาณรวมกว่า 200GB ประกอบด้วยแผนที่ความโค้งของเยื่อบุผิว การพับบนท่อแก้วขนาดเล็ก เงื่อนไขที่ไม่มีพื้นผิว และเงื่อนไขยา (เช่น LiCl) สำหรับการคลาย Dryad

การวิจัยประเภทนี้เป็นการทำลายปรากฏการณ์ที่ "น่าทึ่งเมื่อดูในวิดีโอ" ด้วยเรขาคณิตและสถิติอย่างละเอียด แม้จะดูเรียบง่ายแต่ก็มีพลัง

"สัตว์ในยุคแรกสุด" ได้รับ "รูปร่าง" อย่างไร

นักวิจัยได้ก้าวเข้าสู่การพูดคุยเกี่ยวกับวิวัฒนาการอย่างกล้าหาญ หากหลักการของการเปลี่ยนแปลงรูปร่างที่ไม่พึ่งพาระบบประสาทสามารถเห็นได้ในสัตว์ที่แยกตัวออกมาในช่วงแรกๆ เช่น Trichoplax อาจเป็นไปได้ว่า "การสร้างรูปร่าง" เกิดขึ้นก่อนการประดิษฐ์ของระบบประสาท โดยอาศัยฟิสิกส์และการเคลื่อนไหวของกลุ่ม — นี่คือสมมติฐานที่เกิดขึ้น Phys.org

ในการพัฒนาของตัวอ่อน การพับเยื่อบุผิวเป็นเรื่อง "ธรรมดา" เช่น การพับของสมองหรือการเชื่อมต่อของอวัยวะ การค้นพบครั้งนี้ส่องแสงให้กับ "ความธรรมดา" นั้นจากสถานที่ที่ดั้งเดิมกว่า Phys.org

ผลกระทบต่อวิศวกรรม: หุ่นยนต์นุ่มนวล ชีววิทยาสังเคราะห์ และ "การพับที่ออกแบบได้"

สิ่งที่น่าสนใจในระบบนี้คือไม่เพียงแต่ในด้านการพัฒนาและวิวัฒนาการ แต่ยังสามารถแปลเป็นภาษาการออกแบบได้ง่าย เมื่อมองแผ่นเยื่อบุผิวเป็น "สสารที่มีการเคลื่อนไหวบาง" การเคลื่อนไหวรวมของ cilia สามารถสร้างรูปร่างได้ "โดยอัตโนมัติ" โดยไม่ต้องควบคุมจากภายนอก ซึ่งหมายความว่าสำหรับหุ่นยนต์นุ่มนวลและชีววิทยาสังเคราะห์ มันเป็นแนวทางในการสร้างรูปร่างสามมิติด้วยการรวมกันของ **"วัสดุ (แผ่น) + การขับเคลื่อนขนาดเล็ก (cilia) + สิ่งแวดล้อม"** Dryad

Prakash Lab เคยแนะนำการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวว่าเป็น "การพับเซลล์" (ในหัวข้ออื่น) หรือสร้างกล้องจุลทรรศน์ Foldscope ด้วยการพับกระดาษ ซึ่งเป็นที่รู้จักในฐานะห้องปฏิบัติการที่มีความคิด "การพับ = ความแม่นยำ" การ "พับกระดาษของสิ่งมีชีวิต" ในครั้งนี้ดูเหมือนจะเป็นส่วนหนึ่งของแนวคิดนี้ Stanford News

การตอบสนองในโซเชียลมีเดีย/อินเทอร์เน็ต: "สามจุดที่น่าสนใจ" ที่แพร่กระจายได้ง่าย

ข่าวนี้มีเนื้อหาที่จริงจัง แต่มีองค์ประกอบที่ทำให้แพร่กระจายได้ง่ายบนอินเทอร์เน็ตตั้งแต่แรก

1. ปัญหา "ไม่มีสมองแต่ดูฉลาด"
   เมื่อได้ยินว่า "ไม่มีระบบประสาท" คนมักจะคิดว่า "ทำอะไรไม่ได้" แต่ในความเป็นจริง มีความประหลาดใจเมื่อเกิดสิ่งที่ "ดูเหมือนจะเป็นไปได้" ด้วยฟิสิกส์และการเคลื่อนไหวของกลุ่ม Phys.org

2. ภาพที่แข็งแกร่ง (การพับกระดาษ × สิ่งมีชีวิต × วิดีโอ)
   ทีมวิจัยได้แนะนำความสามารถนี้ด้วยวิดีโอสต็อปโมชั่นที่ใช้กระดาษ เพื่อเน้นย้ำความสามารถนี้ ซึ่งเป็นการดึงดูดด้วย "ภาพ" ก่อน "ข้อความ" Phys.org

3. การปรับปรุงภาพลักษณ์ของ "cilia"
   การทำลายความเชื่อที่ว่า cilia = ของเหลว และเสนอการตีความใหม่ว่า "เดินเพื่อสร้างรูปร่าง" ซึ่งสามารถส่งต่อเป็น "ความรู้ใหม่" ให้กับผู้ที่ไม่ใช่ผู้เชี่ยวชาญ OUP Academic

ในเชิงปริมาณ บทความที่เกี่ยวข้องใน Phys.org มีตัวนับการตอบสนอง "สองหลัก" ตั้งแต่ช่วงที่เผยแพร่ ซึ่งแสดงให้เห็นว่าเป็น "เนื้อหาที่จะถูกแชร์เมื่อพบ