Egzersiz, Gelişimi Tetikler mi?

İnsanlar olarak aktif hayat tarzının bize vücudumuzun şekli hakkında bir miktar kontrol tanıdığını biliyoruz. Yürüyüşe çıktığımızda, adımlarımızı kontrol ettiğimizde ve spor salonuna gittiğimizde kas gelişimini sürdürüp vücut yağını azaltabiliyoruz. Fiziksel aktivitelerimiz, fiziksel görünüşümüzü şekillendirmede bize yardımcı oluyor. Peki ya benzer aerobikleri, önceki formlarımızda da sürdürsek? Embriyolarımızın da egzersiz yapması mümkün müdür?

EMBL'in Ikmi ekibindeki araştırmacılar, bu soruları denizşakayıklarına (anemonlara) yöneltti. Böylece, erken gelişim sırasında hareketlerin vücut şeklini nasıl etkilediğini anlamayı planlıyorlardı. Denizşakayıkları da, görünüşe göre, aktif bir hayat tarzı sürdürmenin faydalarını görüyorlar: Özellikle oval şekilli yüzen larvalardan hareketsiz borumsu poliplere dönüştüklerinde, hareketleri önem arz ediyor. Ölümsüz denizanaları ve gezegenimizin en zengin ve en karmaşık ekosistemi olan mercan resiflerinin başrolündeki canlılar da dâhil olmak üzere birçok sölenter türünün yaşam tarihinde, bu morfolojik dönüşüm temel bir geçiştir.

Gelişim esnasında starlet denizşakayığı larvası (Nematostella), belirli bir "jimnastik hareketleri modeli" uygular. Çok fazla veya çok az kas aktivitesi ya da kaslarının düzenlerinde ciddi bir değişim, denizşakayığını normal şeklinden saptırabilir.

Current Biology'de yayımlanan yeni bir makalede Ikmi ekibi, bu tarz hareketlerin hayvan gelişimini nasıl etkilediğini araştırıyor.^[1] Ekip; canlı görüntüleme, hesaplama metodolojisi, biyofizik ve genetik alanlarında uzmanlardan oluşuyor. Bu disiplinlerarası bilim insanı grubu, vücuttaki değişiklikleri takip etmek için iki ve üç boyutlu canlı görüntülemeyi sayısal özelliklere çevirdi.

Gelişmekte olan denizşakayıklarının, kas aktivitesiyle vücut basıncını düzenleyerek ve larva dokusunu şekillendirmek için hidroliği kullanarak hidrolik pompalar gibi davrandıklarını buldular. EMBL grup lideri Aissam Ikmi şöyle söylüyor:

İnsanlar, egzersiz yapmak için kas ve kemiklerden oluşan bir iskelet kullanırlar. Tersine, denizşakayıkları kastan oluşan bir hidro iskelet ve suyla dolu bir boşluk kullanırlar.

Gelişmekte olan denizşakayıklarının hareket etmesine yardımcı olan hidrolik kaslar, aynı zamanda nasıl geliştiklerini de etkiliyormuş gibi duruyor. Bilim insanları örüntü analizi veri hatlarını kullanarak; vücut kolon uzunluğu, çap, tahmini hacim ve hareketliliğini geniş veri dizilerinde ölçtüler. Bununla, Nematostella larvalarının doğal olarak kendilerini yavaş ve hızlı gelişen larvalar olmak üzere iki gruba ayırdığını keşfettiler. Şaşırtıcı bir şekilde, larvalar ne kadar aktifse gelişmeleri de o kadar uzun sürüyordu. Ikmi şöyle açıklıyor:

Çalışmamız, gelişmekte olan denizşakayıklarının morfolojilerini oluşturmak için özünde nasıl egzersiz yaptığını gösteriyor. Fakat görünüşe göre, eşzamanlı olarak hareket edip gelişmek için hidro iskeletlerini kullanamıyorlar.

Mikroskop ve Balon Yapmak!

Hollanda Hubrecht Enstitüsünden başyazar Anniek Stokkermans şunları söylüyor:

Bu araştırmayı yaparken çok fazla zorlukla karşılaştık. Bu hayvan oldukça hareketli. Çoğu mikroskop, hayvanın hareketlerine ayak uyduracak kadar hızlı kayıt altına alamıyor. Bunun sonucunda, özellikle hayvanı üç boyutlu incelemek istiyorsanız bulanık bir görüntü elde ediyorsunuz. Ayrıca, hayvan oldukça yoğun. Dolayısıyla çoğu mikroskop, hayvanın yarısını bile göremiyor.

EMBL Prevedel ekibinde uygulama mühendisi olan Ling Wang, daha derinlemesine ve hızlıca bakabilmek için, gelişmekte olan canlı denizşakayağının doğal hareketlerini üç boyutlu olarak izleyebilecek bir mikroskop inşa etti. EMBL grup lideri Robert Prevedel şöyle söylüyor:

Ling, bu proje için, temel teknolojilerimizden biri olan Optik Koherans Mikroskopiyi (OCM) özel olarak uyarladı. OCM'nin en önemli avantajı, hayvanların mikroskobun altında özgürce hareket etmesine izin vermesi ve bu esnada net ve detaylı bir üç boyutlu görüntü sağlaması. Bu, EMBL ekiplerinin ve disiplinlerin arasında birçok farklı arayüzü gösteren heyecan verici bir proje oldu.

Bu özel araçla araştırmacılar, doku ve vücut boşluğundaki hacimsel değişiklikleri ölçebildiler. Stokkermans şöyle açıklıyor:

Kendilerini büyütmek için denizşakayıkları, çevreden su alarak bir balon gibi şişerler. Sonrasında farklı tipteki kasları kasarak kısa vadeli şekillerini düzenleyebilirler. Bu tıpkı, şişmiş bir balonun bir tarafını sıkıp diğer taraftan genişlemesini izlemek gibi. Basınca dayalı bu yerel genişlemenin dokuyu germeye yardımcı olduğunu düşünüyoruz, bu nedenle hayvan yavaş yavaş daha uzun hale geliyor. Böylece, kasılmaların hem kısa vadeli hem uzun vadeli etkileri olabiliyor.

Balonlar ve Deniz Anemonları!

Hidroliği ve işlevlerini daha iyi anlamak için araştırmacılar, farklı disiplinlerdeki uzmanlarla işbirliği yaptı. EMBL Hiiragi ekibinden Prachiti Moghe, vücut deformasyonlarına neden olan basınç değişikliklerini ölçtü. Ek olarak Harvard Üniversitesinden matematikçi L. Mahadevan ve mühendis Aditi Chakrabarti, sistem düzeyindeki şekil değişikliklerini yönlendirmede hidrolik basınçların rolünü ölçmek için matematiksel bir model öne sürdü. Ayrıca hem normal hem de kusurlu kaslara sahip hayvanlarda görülen şekil ve boyut çeşitlerini taklit eden, bantlarla güçlendirilmiş balonlar tasarladılar. Ikmi şöyle söylüyor:

Hayvanlar âleminde, özellikle deniz omurgasızlarında, hidrostatik iskeletlerin yaygınlığı göz önüne alındığında çalışmamız, aktif kas hidroliğinin yumuşak vücutlu hayvanların tasarı temelinde geniş bir role sahip olduğunu gösteriyor. Tasarlanmış birçok sistemde hidrolik, uzay-zamanda uzun menzilli etkilerle basınç ve akımı mekanik işlerde kullanma yeteneği olarak tanımlanır. Hayvan çok hücreliliği akuatik çevrede evrimleştikçe erken dönem hayvanlarının, muhtemelen aynı fizikten yararlandığını ve hidroliklerin hem gelişimsel hem de davranışsal kararları yönlendirdiğini düşünüyoruz.

Ikmi ekibi daha önce diyet ve anten gelişimi arasındaki bağlantılar üzerine çalıştığından bu araştırma, vücut formlarının nasıl geliştiğini anlamaya yeni bir katman ekliyor. Bu araştırmanın nereye varacağını düşünen Stokkermans şöyle söylüyor:

Bu yeni bulgulara dair hala birçok sorumuz var. Nede farklı aktivite düzeyleri bulunuyor? Hücreler nasıl basıncı hissedip gelişimsel bir sonuca çeviriyor? Ayrıca borumsu yapılar, organlarımızın çoğunun temelini oluşturuyor. Bu yüzden, Nematostella için geçerli olan mekanizmaları incelemek, hidroliğin organ gelişimi ve işlevinde nasıl bir rol oynadığını daha iyi anlamamıza da yardım edecek.