Naukowcy w końcu wyjaśniają, dlaczego zarodki węży skręcają się w spirale (to nie joga)

Międzynarodowy zespół badaczy, kierowany przez naukowców z Kanady, w końcu rozwiązał zagadkę, dlaczego zarodki węży zwijają się w ciasne spirale przed wykluciem. Odpowiedź, opublikowana w Current Biology, nie jest jakimś egzystencjalnym lękiem przed długością ich ciał – choć to blisko. Okazuje się, że zwijanie się jest fizyczną koniecznością, aby pomieścić ich wyjątkowo długie ciała, które odróżniają je od wszystkich innych kręgowców.

Spirala powstaje, gdy ciało zarodka szybko się wydłuża, a jego jelito działa jak smycz, powodując, że rosnące ciało wygina się i skręca w prawoskrętną spiralę. „To jak regulowanie długości paska, gdzie dłuższa, wyginająca się strona pętli skręca się” – wyjaśnia dr Tetsuto Miyashita, biolog ewolucyjny z Kanadyjskiego Muzeum Przyrody i główny autor badania.

Odkrycie to dodaje zarodki węży do rosnącej listy naturalnych struktur spiralnych, które wciąż wprawiają naukowców w zakłopotanie. „Jest w spiralach nutka tajemnicy, a my dopiero zaczynamy rozumieć, jak te kształty powstają u zwierząt, takich jak nasze pętlące się jelito, muszle ślimaków, a teraz te pięknie zwinięte zarodki węży” – mówi główna autorka Alexandra Weber, obecnie doktorantka zoologii na Uniwersytecie Kolumbii Brytyjskiej.

Miyashita dodaje: „Te zagadki pobudzają naszą ciekawość. W końcu spiralne formy w naturze inspirowały ludzkie dzieła, od makaronu rotini, przez słup fryzjerski, aż po przedstawienia biblijnej Wieży Babel”.

Sam projekt narodził się z dość przyziemnej okoliczności: lockdownu COVID w 2020 roku. Miyashita, pracując z domu, potrzebował pytania badawczego, które jego studenci mogliby rozwiązać bez laboratoriów i zbiorów muzealnych. „Wtedy zapaliła mi się żarówka. Odziedziczyłem po moim promotorze doktoratu fascynację asymetriami w formach zwierzęcych. Więc za każdym razem, gdy widziałem zdjęcia zarodków węży w publikacjach, zastanawiałem się, czy są one prawoskrętne, czy lewoskrętne w swoim zwijaniu”.

To pytanie stało się podstawą badania. Miyashita poprosił Weber, wówczas na Uniwersytecie Carleton, wraz z dwoma studentami licencjackimi z Uniwersytetu w Ottawie, o przeszukanie opublikowanych badań i baz danych muzealnych w poszukiwaniu zdjęć rozwijających się węży. „Uzyskaliśmy zdjęcia ponad 900 zarodków z 39 gatunków węży i innych beznogich jaszczurek. To statystycznie solidna próba”.

Wyłonił się wyraźny wzorzec: w pierwszych kilku tygodniach po złożeniu jaj zarodki zwijały się tylko prawoskrętnie – w prawo, patrząc od głowy do ogona. „Na tych etapach zarodki nie mają mięśni, którymi mogłyby się poruszać, więc różne siły powodują, że zwijają się w prawo” – wyjaśnia Weber. „Ale nie wiedzieliśmy, co je do tego zmusza”.

Kluczową wskazówkę dostarczył dr Raul Diaz, współpracownik z California State University w Los Angeles. Diaz użył tomografii komputerowej, aby zbadać zarodki węży z większą szczegółowością anatomiczną, ujawniając coś nieoczekiwanego: „Skan CT Raula zarodka węża ujawnił strukturę, której nigdy wcześniej nie widzieliśmy – był to filar jelita rozciągający się przez spiralę zwiniętego ciała” – mówi Miyashita. „Jest jelito odłączone od reszty ciała, otoczone wićmi naczyń krwionośnych z żółtka”.

Ta obserwacja dała zespołowi mechanizm, którego szukali. Zarodki węży muszą szybko się wydłużać, ale jelito nie rośnie w tym samym tempie. Ta niezgodność tworzy mechaniczne ograniczenie, które zmusza ciało do spirali. „Więc odłączają wolno rosnące jelito, które teraz działa jak smycz dla wydłużającego się ciała. Ciało wygina się i skręca w spiralę” – wyjaśnia Miyashita. „Ta siła zwijania jest skierowana tak, że zarodki rosną po przeciwnej stronie żółtka. A żółtko jest zawsze po lewej stronie zarodka, stąd zarodek zawsze zaczyna zwijać się prawoskrętnie”.

Zarodki nie pozostają w tym prawoskrętnym ułożeniu na zawsze. W miarę wzrostu żółtko się kurczy, dając im więcej miejsca na przemieszczanie się, a ich mięśnie dojrzewają, pozwalając im na samodzielny ruch. „Niektóre pozostają w prawoskrętnych spiralach, ale niektóre skręcają się w lewą stronę” – dodaje Miyashita. „To pokazuje, że wczesne skręcanie jest napędzane mechanicznie, a nie genetycznie”.

Odkrycie to może mieć szersze implikacje dla zrozumienia, jak powstają asymetrie w naturze. „Spirale są wszędzie w biologii, od DNA po muszle ślimaków, ale rzadko wiemy, jak powstają” – mówi Weber. „Pokazujemy, że proste zasady fizyczne mogą wyjaśnić złożone kształty”.

Międzynarodowy zespół planuje teraz zbadać, czy podobne mechanizmy działają u innych zwierząt o długich ciałach, takich jak beznogie jaszczurki. „To dopiero początek” – mówi Miyashita. „Mamy nadzieję, że nasze odkrycie zainspiruje innych do patrzenia na spirale w naturze z nową ciekawością”.

Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie Current Biology i jest dostępne online.