Mô hình toán học kết nối tiến hóa của gà, cá và ếch

Một trong những câu hỏi cơ bản bậc nhất và tồn tại dai dẳng nhất về sự sống là nó diễn ra như thế nào? Ví dụ, trong quá trình phát triển của con người, các tế bào tự tổ chức trong da, cơ hay xương như thế nào? các tế bào hình thành não, ngón tay, xương sống như thế nào?

Sự phát triển của phôi gà sinh đôi. Vạch vàng là biểu thị của xương sống trong tương lai. Credit: Mattia Serra group, UC San Diego

Trong khi người ta vẫn còn chưa biết rõ các câu trả lời cho những câu hỏi này thì một nhánh nghiên cứu hứa hẹn về tìm hiểu sự hình thành phôi vị (gastrulation) – giai đoạn mà các tế bào của phôi thai phát triển từ một lớp thành một cấu trúc nhiều lớp với một trục cơ thể chính. Ở người, sự hình thành phôi vị xảy ra khoảng 14 ngày sau khi hình thành phôi nang.

Nhưng lại không thể nghiên cứu về phôi người ở giai đoạn này, vì vậy các nhà nghiên cứu ở trường đại học California San Diego, trường đại học Dundee, và trường đại học Harvard đã có thể nghiên cứu về sự hình thành phôi vị ở phôi gà, vốn có nhiều nét tương đồng với phôi người ở giai đoạn này.

Nghiên cứu này được thực hiện thông qua ý tưởng vòng lý tưởng của trợ lý giáo sư vật lý UC San Diego Mattia Serra: một sự kết hợp liên ngành, qua lại giữa khoa học lý thuyết và thực nghiệm. Mattia là một nhà lý thuyết quan tâm đến các mẫu hình đột sinh trong các hệ lý sinh phức hợp.

Tại đây, anh và cộng sự đã xây dựng một mô hình toán học dựa trên thông tin đầu vào của các nhà sinh học trường đại học Dundee. Mô hình này có thể dự đoán một cách chính xác các dòng chảy hình thành phôi vị – chuyển động của hàng vạn tế bào trong toàn bộ phôi gà qua một kính hiển vi điện tử. Đây là lần đầu tiên một mô hình toán học về sự tự tổ chức có thể tái tạo được các dòng chảy này trong các phôi gà.

Các nhà sinh học muốn xem xét liệu mô hình này có thể tái lặp cái mà họ biết tồn tại trên thực tế cũng như dự đoán cái gì có thể diễn ra trong những điều kiện khác nhau hay không. Nhóm của Serra làm nhiễu mô hình này – hay nói cách khác là thay đổi các điều kiện ban đầu hoặc các tham số hiện tại.

Các kết quả thu được đều gây ngạc nhiên: mô hình tạo ra các dòng chảy tế bào mà người ta không quan sát được một cách tự nhiên ở gà nhưng lại quan sát ở hai loài động vật có xương sống khác – ếch và cá.

Mô hình toán học ở phía bên trái khớp với kết quả quan sát được trong thực nghiệm. Nguồn: Mattia Serra lab, UC San Diego

Để đảm bảo các kết quả đó không phải là một tưởng tượng toán học của mô hình, những người hợp tác về mặt sinh học bắt chước một cách chính xác những nhiễu loạn trong phòng thí nghiệm về phôi gà. Ấn tượng nhất là những phôi gà có thể thao tác được này cũng chứng tỏ sự hình thành phôi vị có thể quan sát được một cách tự nhiên ở cá và ếch.

Những phát hiện đó, được xuất bản trên tạp chí Science Advances, đề xuất những nguyên tắc vật lý tương tự đằng sau hiện tượng tự tổ chức đa tế bào có thể là do được tiến hóa trong các loài động vật có xương sống 1.

“Thứ nhất, ếch và gà sống ở những môi trường khác nhau, vì vậy theo thời gian, áp lực tiến hóa có thể thay đổi các tham số và những điều kiện ban đầu của quá trình phát triển phôi”, Serra lý giải. “Nhưng một số nguyên tắc cốt lõi về tự tổ chức, ít nhất trong giai đoạn đầu của sự hình thành phôi vị, có thể tương tự nhau ở cả ba loài”.

Serra và đồng nghiệp đều đang nghiên cứu về những cơ chế khác xuất hiện với các mẫu hình tự tổ chức ở cấp độ phôi. Họ hy vọng nghiên cứu đó sẽ làm thúc đẩy thiết kế vật liệu sinh học và y học tái tạo để giúp con người có thể sống thọ hơn, khỏe mạnh hơn.

“Cơ thể con người là một hệ động lực phức tạp bậc nhất tồn tại trên thế giới”, anh nói. “Có nhiều câu hỏi thú vị về mặt sinh học, vật lý và toán học cho cơ thể của chúng ta” – vô cùng đẹp đẽ cho việc suy ngẫm. Không bao giờ có điểm kết thúc cho những phám phá mà chúng ta có thể thực hiện”.

Thanh Lan tổng hợp

Nguồn: https://phys.org/news/2023-12-mathematical-evolution-chickens-fish-frogs.html

https://today.ucsd.edu/story/gastrulation-evolution

———————————————

1. https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adh8152

Tác giả