Canlı organizmaların morfolojik çeşitliliğini nasıl açıklayabiliriz? Genetik, akla gelen ilk cevap olsa da tek açıklama değildir. Cenevre Üniversitesi’nden multidisiplinler bir araştırma ekibi, timsah kafa pullarının moleküler genetikten ziyade büyüyen dokuların mekaniğinden ortaya çıktığını gösterdi. Nature dergisinde yayımlanan bulgular, canlı formların gelişimi ve evriminde rol oynayan fiziksel güçlere yeni bir ışık tutuyor.
Canlı organizmaların morfolojik çeşitliliğinin ve karmaşıklığının kökeni, bilimin en büyük gizemlerinden biri olmaya devam ediyor. Bilim insanları bu bulmacayı çözmek için çok çeşitli türleri inceliyor. Cenevre Üniversitesi (UNIGE) Fen Fakültesi Genetik ve Evrim Bölümü’nde profesör olan Michel Milinkovitch’in laboratuvarı, bu çeşitlilikten sorumlu temel mekanizmaları anlamak için omurgalıların tüy, kıl ve pul gibi deri uzantılarının gelişimini ve evrimini araştırıyor. Bu uzantıların embriyonik gelişiminin, gen ekspresyonundan kaynaklanan çok sayıda molekül arasındaki etkileşimleri içeren kimyasal süreçler tarafından belirlendiği düşünülüyor.
Yayılan Bir Çatlak Gibi
Milinkovitch’in ekibi daha önce, timsah kafası pullarının embriyonik gelişiminin, vücut pullarından farklı olarak, mekanik stres altındaki bir malzeme içindeki çatlakların yayılmasını andıran bir süreçten kaynaklandığını göstermişti. Ancak bu fiziksel sürecin doğası bilinmiyordu.
Ekipte yer alan bilim insanları, yeni ve multidisipliner çalışmaları sayesinde bu gizemi çözdüler. İlk olarak, Nil timsahı embriyosunun yaklaşık 90 gün süren gelişimi sırasında kafa pullarının görünümünü izlediler. Araştırmaya göre çeneleri kaplayan deri 48. güne kadar pürüzsüz kalırken, 51. gün civarında deri kıvrımları ortaya çıktı. Bu kıvrımlar daha sonra yayılarak ve birbirine bağlanarak, burnun üst kısmında büyük, uzun pullar ve çenelerin yan taraflarında daha küçük olmak üzere düzensiz poligonal pullar oluşturdu.
Bir hayvanın derisi, bağlı olduğu alttaki dokudan daha hızlı büyüyorsa, büyümesi kısıtlandığı için derinin bükülmesini ve katlanmasını bekleyebilirsiniz. Milinkovitch’in ekibi, böyle bir sürecin embriyonik timsahta deri kıvrımlarının ve dolayısıyla pulların görünümünü açıklayıp açıklayamayacağını araştırdı. Timsah yumurtalarına epidermal büyümeyi ve sertleşmeyi aktive eden bir hormon olan EGF (Epidermal Büyüme Faktörü) enjekte etmek için bir teknik geliştiren bilim insanları, büyüme aktivasyonunun ve deri yüzeyi sertliğindeki artışın, deri kıvrımlarının organizasyonunda olağanüstü bir değişikliğe yol açtığını keşfettiler.
Milinkovitch’in laboratuvarında doktora sonrası araştırmacılar olan, çalışmanın ortak yazarları Gabriel Santos-Durán ve Rory Cooper bu keşfi şöyle açıkladılar: “Embriyonun derisinin anormal bir şekilde katlandığını ve insan beyninin kıvrımlarına benzeyen labirentimsi bir ağ oluşturduğunu gözlemledik. Şaşırtıcı bir şekilde, EGF enjekte edilen timsahlar yumurtadan çıktıklarında, bu beyin benzeri katlanma, başka bir timsah türü olan kaymanlarınkiyle karşılaştırılabilecek düzeyde çok daha küçük pullardan oluşan bir örüntüye dönüştü.”
Derinin büyüme ve sertleşme hızındaki değişimler, farklı timsah türleri arasında pul biçimi bakımından geniş bir çeşitlilik yaratabilen basit bir evrimsel mekanizma sunuyor.
Çene Gelişiminin 3 Boyutlu Modeli
Bilim insanları daha sonra embriyonun kafasını oluşturan çeşitli dokuların (epidermis, dermis ve kemik dokunun) büyüme hızlarını ve geometrilerini, ayrıca dermisteki kolajen liflerin organizasyonunu ölçmek için “ışık tabakası mikroskopisi” olarak bilinen gelişmiş bir görüntüleme tekniği kullandılar. Ekip bu verileri, cildin kısıtlı büyümesini simüle etmek üzere üç boyutlu (3D) bir bilgisayar modeli oluşturmak için kullandı. Araştırmacılar bu modelle, doku katmanlarının belirli büyüme oranlarını ve sertliklerini değiştirmenin yol açtığı etkileri keşfettiler.
Milinkovitch’in laboratuvarında bilgisayar mühendisi olarak çalışan ve çalışmanın ortak yazarı olan Ebrahim Jahanbakhsh bu keşfi şöyle açıkladı: “Bu farklı parametreleri keşfederek, hem EGF enjekte edilmiş hem de edilmemiş Nil timsahlarının yanı sıra gözlüklü kayman veya Amerikan timsahına özgü farklı kafa pulu biçimleri oluşturabiliyoruz. Bu bilgisayar simülasyonları, doku mekaniğinin, karmaşık moleküler genetik faktörleri içermek zorunda kalmadan, farklı türlerdeki belirli anatomik yapıların biçim çeşitliliğini kolayca açıklayabileceğini göstermektedir.”
KAYNAKÇA
Santos-Durán, G.N., Cooper, R.L., Jahanbakhsh, E. et al. “Self-organized patterning of crocodile head scales by compressive folding.” Nature, 2024 DOI: 10.1038/s41586-024-08268-1
Kaynak: Bu metin, www.sciencedaily.com adresindeki Biological diversity is not just the result of genes başlıklı yazıdan çevrilmiştir. Başlık tarafımızca değiştirilmiştir.
Görsel: Pexels / Oleksandr P.
