Polscy i francuscy naukowcy odkryli nieoczekiwaną rolę... szumu w formowaniu kręgosłupa. Okazuje się, że za powstawanie w zarodkach okresowych struktur, z których rozwijają się miedzy innymi segmenty kręgosłupa, odpowiadają nie geny, lecz proste zjawiska fizyczne i chemiczne. Naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN i Centre National de la Recherche Scientifique opracowali prosty model teoretyczny tego procesu i zbadali, jak na segmentację wpływa wewnętrzny, termodynamiczny szum układu. Wyniki okazały się sprzeczne z intuicją.

We wczesnej fazie rozwoju zarodków kręgowców w ich mezodermie grzbietowej wykształcają się periodyczne segmenty nazywane somitami. Z czasem przekształcają się one m.in. w kręgi, elementy kręgosłupa. Polsko-francuski zespół przedstawił prosty model teoretyczny opisujący formowanie podobnych struktur. Analiza własności modelu ujawniła, że w ich powstawaniu zaskakującą rolę odgrywa wewnętrzny szum, obecny w każdym układzie fizycznym.

Jesteśmy przekonani, że prawa fizyki i chemii mogą tłumaczyć zjawiska biologiczne i ewolucję żywych organizmów - mówi dr hab. Bogdan Nowakowski z IChF PAN. "Z tego powodu spróbowaliśmy teoretycznie odwzorować jeden z elementów rozwoju zarodkowego kręgowców: formowanie się periodycznych struktur w somitogenezie. Zrobiliśmy to rozważając najprostsze schematy reakcji chemicznych, z udziałem zaledwie kilku składników".

Zaproponowany przez naukowców model jest wyjątkowo prosty. W jego skład wchodzą trzy reakcje chemiczne i cztery substancje, w tym dwie wymuszające stan nierównowagi w badanym układzie. W naturze formowanie się periodycznych struktur w embrionach przebiega prawdopodobnie w sposób bardziej skomplikowany, być może z udziałem kilkudziesięciu i więcej reakcji.

Polsko-francuski zespół mógł sprawdzić wpływ wewnętrznego szumu na opisywany proces rozwoju zarodków. W naturze szum jest konsekwencją cząsteczkowej budowy materii i występuje w każdym układzie fizycznym. Do modelu teoretycznego szum trzeba jednak wprowadzić. Teoretycy mogą więc dokonać rzeczy nieosiągalnej dla eksperymentatorów: porównać układ nieistniejący w przyrodzie, bez szumu, z układem z szumem – i ocenić, jak fluktuacje termodynamiczne wpływają na proces segmentacji.

Zazwyczaj zakłada się, że przypadkowy szum zakłóca istniejący porządek. Nasze symulacje dały przeciwny wynik. Po wprowadzeniu szumu do modelu periodyczne struktury zaczęły pojawiać się znacznie szybciej - opisuje Nowakowski. Fluktuacje termodynamiczne okazały się przyspieszać periodyczną organizację przestrzenną i stabilizowały ją w czasie. Co więcej, układ formował struktury łatwiej, w wyraźnie większym zakresie wartości parametrów modelu.

Badania, przeprowadzone w ramach polsko-francuskiego Programu Polonium, opublikowano w czasopiśmie "Europhysics Letters".

Na podstawie informacji prasowej Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk.