Si scopre che gli anemoni di mare traggono vantaggio anche dal mantenimento di uno stile di vita attivo, in particolare quando crescono da larve nuotatrici di forma ovoidale a polipi tubolari sedentari. Il tessuto viene visualizzato utilizzando la colorazione dell'actina. Crediti:gruppo Ikmi/EMBL e ALMF/EMBL
Come esseri umani, sappiamo che uno stile di vita attivo ci dà un certo controllo sulla nostra forma. Quando colpiamo il marciapiede, seguiamo i nostri passi e ci dirigiamo in palestra, possiamo mantenere lo sviluppo muscolare e ridurre il grasso corporeo. La nostra attività fisica aiuta a modellare la nostra figura fisica. Ma cosa accadrebbe se avessimo sostenuto un'attività aerobica simile nelle nostre forme precedenti? È possibile che anche i nostri embrioni si siano allenati?
I ricercatori del gruppo Ikmi dell'EMBL hanno rivolto queste domande all'anemone di mare per capire in che modo il comportamento influisce sulla forma del corpo durante lo sviluppo iniziale. Si scopre che gli anemoni di mare traggono vantaggio anche dal mantenimento di uno stile di vita attivo, in particolare quando crescono da larve nuotatrici di forma ovoidale a polipi tubolari sedentari. Questa trasformazione morfologica è una transizione fondamentale nella storia della vita di molte specie di cnidari, tra cui la medusa immortale e i costruttori dell'ecosistema più ricco e complesso del nostro pianeta, le barriere coralline.
Durante lo sviluppo, le larve di anemone di mare (Nematostella) eseguono uno schema specifico di movimenti ginnici. Troppa o poca attività muscolare o un drastico cambiamento nell'organizzazione dei loro muscoli possono deviare l'anemone di mare dalla sua forma normale.
In un nuovo articolo pubblicato su Current Biology , il gruppo Ikmi esplora come questo tipo di comportamento influisca sullo sviluppo degli animali. Con esperienza nell'imaging dal vivo, nella metodologia computazionale, nella biofisica e nella genetica, il team multidisciplinare di scienziati ha trasformato l'imaging dal vivo 2D e 3D in caratteristiche quantitative per tenere traccia dei cambiamenti nel corpo. Hanno scoperto che gli anemoni di mare in via di sviluppo si comportano come pompe idrauliche, regolando la pressione corporea attraverso l'attività muscolare e utilizzando l'idraulica per scolpire il tessuto larvale.
"Gli esseri umani usano uno scheletro fatto di muscoli e ossa per esercitarsi. Al contrario, gli anemoni di mare usano un idroscheletro fatto di muscoli e una cavità piena d'acqua", ha affermato Aissam Ikmi, leader del gruppo EMBL. Gli stessi muscoli idraulici che aiutano gli anemoni di mare in via di sviluppo a muoversi sembrano anche influenzare il modo in cui si sviluppano. Utilizzando una pipeline di analisi delle immagini per misurare la lunghezza, il diametro, il volume stimato e la motilità della colonna corporea in grandi set di dati, gli scienziati hanno scoperto che le larve di Nematostella si dividono naturalmente in due gruppi:larve a sviluppo lento e rapido. Con sorpresa del team, più le larve sono attive, più tempo impiegano a svilupparsi. "Il nostro lavoro mostra come lo sviluppo degli anemoni di mare essenzialmente 'esercizi' per costruire la loro morfologia, ma sembra che non possano usare il loro idroscheletro per muoversi e svilupparsi contemporaneamente", ha detto Ikmi.
Making microscopes and building balloons
"There were many challenges to doing this research," explains first author and former EMBL predoc Anniek Stokkermans, now a postdoc at the Hubrecht Institute in the Netherlands. "This animal is very active. Most microscopes cannot record fast enough to keep up with the animal's movements, resulting in blurry images, especially when you want to look at it in 3D. Additionally, the animal is quite dense, so most microscopes cannot even see halfway through the animal."
To look both deeper and faster, Ling Wang, an application engineer in the Prevedel group at EMBL, built a microscope to capture living, developing sea anemone larvae in 3D during its natural behavior.
"For this project, Ling has specifically adapted one of our core technologies, Optical Coherence Microscopy or OCM. The key advantage of OCM is that it allows the animals to move freely under the microscope while still providing a clear, detailed look inside, and in 3D," said Robert Prevedel, EMBL group leader. "It has been an exciting project that shows the many different interfaces between EMBL groups and disciplines."
With this specialized tool, the researchers were able to quantify volumetric changes in tissue and body cavity. "To increase their size, sea anemones inflate like a balloon by taking up water from the environment," Stokkermans explained. "Then, by contracting different types of muscles, they can regulate their short-term shape, much like squeezing an inflated balloon on one side, and watching it expand on the other side. We think this pressure-driven local expansion helps stretch tissue, so the animal slowly becomes more elongated. In this way, contractions can have both short-term and a long-term effects."
Balloons and sea anemones
To better understand the hydraulics and their function, researchers collaborated with experts across disciplines. Prachiti Moghe, an EMBL predoc in the Hiiragi group, measured pressure changes driving body deformations. Additionally, mathematician L. Mahadevan and engineer Aditi Chakrabarti from Harvard University introduced a mathematical model to quantify the role of hydraulic pressures in driving system-level changes in shape. They also engineered reinforced balloons with bands and tapes that mimic the range of shapes and sizes seen in both normal and muscle-defective animals.
"Given the ubiquity of hydrostatic skeletons in the animal kingdom, especially in marine invertebrates, our study suggests that active muscular hydraulics play a broad role in the design principle of soft-bodied animals," Ikmi said. "In many engineered systems, hydraulics is defined by the ability to harness pressure and flow into mechanical work, with long-range effects in space-time. As animal multicellularity evolved in an aquatic environment, we propose that early animals likely exploited the same physics, with hydraulics driving both developmental and behavioral decisions."
As the Ikmi group previously studied the connections between diet and tentacle development, this research adds a new layer to understanding how body forms develop.
"We still have many questions from these new findings. Why are there different activity levels? How do cells exactly sense and translate pressure into a developmental outcome?" Stokkermans asked as she considers where this research leads. "Furthermore, since tube-like structures form the basis of many of our organs, studying the mechanisms that apply to Nematostella will also help gain further understanding in how hydraulics play a role in organ development and function." + Esplora ulteriormente
