Zasady projektowania kształtu narządów rzęskowych

Historia nauki składa się z szeregu zmian paradygmatu – obalenia tradycyjnych teorii i zastąpienia ich nowymi odkryciami. Laboratorium Canso for Biologically Inspired Motion w Szkole Inżynierskiej Viterbi USC jest przyzwyczajone do takich zmian paradygmatu i publikuje swoje wyniki w wiodących czasopismach.

Najnowsza praca naukowa laboratorium, opublikowany W Fizyka przyrody Badania te zatytułowane są „Fizyka przepływu kieruje morfologią narządów rzęskowych” i dostarczają nowego zrozumienia związku pomiędzy dwoma odrębnymi mechanizmami pompowania płynów w organizmach: modelem „płomienia” i modelem „dywanu” kanałów rzęskowych.

U ludzi tkanka rzęskowa pompuje płyn do dróg oddechowych, komór mózgu, kanału kręgowego i układu rozrodczego. Rzęski te mają wygląd przypominający dywan – wyobraźcie sobie gęstą warstwę krótkich włókien prostopadłą do powierzchni komórek nabłonkowych. Wiele zwierząt ma również kanały o uderzająco odmiennym układzie rzęsek: wzór płomienia rzęskowego, w którym stosunkowo długie, ciasno upakowane rzęski pulsują wzdłużnie wzdłuż wąskiego światła.

Płomieni rzęskowych nie obserwuje się u dużych organizmów wielokomórkowych, takich jak ludzie, co prowadzi do zrozumienia, że ​​te dwie formy, dywan i płomień, różnicują się w procesach ewolucyjnych. Jednak profesor Eva Kansu i jej zespół badaczy, w szczególności współautorka badania Feng Ling, doktorantka na Uniwersytecie Południowej Kalifornii i naukowiec Jana Noroth, odkryły, że rozróżnienie tak naprawdę zależy od potrzeb różnych infuzji płynów.

Innymi słowy, forma podąża za funkcją. Zespół proponuje, że zbieżność projektów narządów rzęskowych wynika z ograniczeń mechanicznych, a nie ścieżki ewolucyjnej (ewolucja filogenetyczna i relacyjna).

W artykule przedstawiono szereg uniwersalnych zasad projektowania pomp rzęskowych: ujednolicony model płynów, który sugeruje nieoczekiwaną ciągłość pomiędzy dwoma, zwykle sprzecznymi modelami. Dwa parametry strukturalne, średnica światła i stosunek rzęsek do światła, regulują różnorodność kanałów rzęskowych w ciągłym spektrum, które łączy dywany z płomieniami.

Wyniki na obu końcach spektrum wskazują maksymalne natężenie przepływu i wytwarzanie ciśnienia (zgodne z wymaganiami fizjologicznymi dotyczącymi transportu materiałów sypkich i filtracji), podczas gdy projekty pośrednie wzdłuż spektrum morfologicznego tworzą idealnie wydajne hybrydy.

Nowe odkrycia zapewniają większą przejrzystość w badaniu i leczeniu głównych chorób związanych z dysfunkcją rzęsek i gromadzeniem się płynów, w tym rozstrzeni oskrzeli, wodogłowia i ciąży pozamacicznej. Odkrycia pogłębiają także wiedzę na temat działania poszczególnych narządów. Na przykład pożary rzęskowe, które pompują płyn w celu wydalenia, stanowią modelowy system do badania chorób nerek u ludzi.

Pomimo fundamentalnego znaczenia narządów rzęskowych w fizjologii zwierząt, związek między kształtem kanału rzęskowego a jego zdolnością do pompowania płynu pozostaje w dużej mierze niezbadany ze względu na trudności w pomiarze uderzeń rzęsek i przepływu płynu w nienaruszonych kanałach endocytarnych.

Podchodząc eksperymentalnie do tego wymagającego obszaru badań i stosując modelowanie matematyczne, laboratorium Kanso proponuje nowe, innowacyjne i intuicyjne podejście. Paradoks zostaje przeformułowany w ciągłość, a wielkie wyzwanie w nauce i inżynierii staje się o krok prostsze.