Como humanos, sabemos que un estilo de vida activo nos da cierto control sobre nuestra forma. Cuando pisamos el pavimento, hacemos un seguimiento de nuestros pasos y nos dirigimos al gimnasio, podemos mantener el desarrollo muscular y reducir la grasa corporal. Nuestra actividad física ayuda a moldear nuestra figura física. Pero, ¿y si mantuviéramos ejercicios aeróbicos similares en nuestras formas anteriores? ¿Es posible que nuestros embriones también hicieran ejercicio?

Los investigadores del grupo Ikmi de EMBL dirigieron estas preguntas hacia la anémona de mar para comprender cómo el comportamiento afecta la forma del cuerpo durante el desarrollo temprano. Resulta que las anémonas de mar también se benefician de mantener un estilo de vida activo, particularmente a medida que crecen de larvas nadadoras de forma ovoide a pólipos tubulares sedentarios. Esta transformación morfológica es una transición fundamental en la historia de vida de muchas especies de cnidarios, incluidas las medusas inmortales y los constructores del ecosistema más rico y complejo de nuestro planeta, los arrecifes de coral.

Durante el desarrollo, las larvas de anémona de mar estrella (Nematostella) realizan un patrón específico de movimientos gimnásticos. Demasiada o muy poca actividad muscular o un cambio drástico en la organización de sus músculos pueden desviar a la anémona de mar de su forma normal.

En un nuevo artículo publicado en Current Biology , el grupo Ikmi explora cómo este tipo de comportamiento impacta en el desarrollo animal. Con experiencia en imágenes en vivo, metodología computacional, biofísica y genética, el equipo multidisciplinario de científicos convirtió imágenes en vivo en 2D y 3D en características cuantitativas para rastrear cambios en el cuerpo. Descubrieron que las anémonas de mar en desarrollo se comportan como bombas hidráulicas, regulan la presión corporal a través de la actividad muscular y usan la hidráulica para esculpir el tejido larvario.

"Los humanos usan un esqueleto hecho de músculos y huesos para hacer ejercicio. En contraste, las anémonas de mar usan un hidroesqueleto hecho de músculos y una cavidad llena de agua", dijo Aissam Ikmi, líder del grupo EMBL. Los mismos músculos hidráulicos que ayudan a las anémonas de mar en desarrollo a moverse también parecen afectar la forma en que se desarrollan. Usando un canal de análisis de imágenes para medir la longitud, el diámetro, el volumen estimado y la motilidad de la columna corporal en grandes conjuntos de datos, los científicos descubrieron que las larvas de Nematostella se dividen naturalmente en dos grupos:larvas de desarrollo lento y rápido. Para sorpresa del equipo, cuanto más activas son las larvas, más tardan en desarrollarse. "Nuestro trabajo muestra cómo las anémonas de mar en desarrollo esencialmente 'ejercicio' para construir su morfología, pero parece que no pueden usar su hidroesqueleto para moverse y desarrollarse simultáneamente", dijo Ikmi.

Making microscopes and building balloons

"There were many challenges to doing this research," explains first author and former EMBL predoc Anniek Stokkermans, now a postdoc at the Hubrecht Institute in the Netherlands. "This animal is very active. Most microscopes cannot record fast enough to keep up with the animal's movements, resulting in blurry images, especially when you want to look at it in 3D. Additionally, the animal is quite dense, so most microscopes cannot even see halfway through the animal."

To look both deeper and faster, Ling Wang, an application engineer in the Prevedel group at EMBL, built a microscope to capture living, developing sea anemone larvae in 3D during its natural behavior.

"For this project, Ling has specifically adapted one of our core technologies, Optical Coherence Microscopy or OCM. The key advantage of OCM is that it allows the animals to move freely under the microscope while still providing a clear, detailed look inside, and in 3D," said Robert Prevedel, EMBL group leader. "It has been an exciting project that shows the many different interfaces between EMBL groups and disciplines."

With this specialized tool, the researchers were able to quantify volumetric changes in tissue and body cavity. "To increase their size, sea anemones inflate like a balloon by taking up water from the environment," Stokkermans explained. "Then, by contracting different types of muscles, they can regulate their short-term shape, much like squeezing an inflated balloon on one side, and watching it expand on the other side. We think this pressure-driven local expansion helps stretch tissue, so the animal slowly becomes more elongated. In this way, contractions can have both short-term and a long-term effects."

Balloons and sea anemones

To better understand the hydraulics and their function, researchers collaborated with experts across disciplines. Prachiti Moghe, an EMBL predoc in the Hiiragi group, measured pressure changes driving body deformations. Additionally, mathematician L. Mahadevan and engineer Aditi Chakrabarti from Harvard University introduced a mathematical model to quantify the role of hydraulic pressures in driving system-level changes in shape. They also engineered reinforced balloons with bands and tapes that mimic the range of shapes and sizes seen in both normal and muscle-defective animals.

"Given the ubiquity of hydrostatic skeletons in the animal kingdom, especially in marine invertebrates, our study suggests that active muscular hydraulics play a broad role in the design principle of soft-bodied animals," Ikmi said. "In many engineered systems, hydraulics is defined by the ability to harness pressure and flow into mechanical work, with long-range effects in space-time. As animal multicellularity evolved in an aquatic environment, we propose that early animals likely exploited the same physics, with hydraulics driving both developmental and behavioral decisions."

As the Ikmi group previously studied the connections between diet and tentacle development, this research adds a new layer to understanding how body forms develop.

"We still have many questions from these new findings. Why are there different activity levels? How do cells exactly sense and translate pressure into a developmental outcome?" Stokkermans asked as she considers where this research leads. "Furthermore, since tube-like structures form the basis of many of our organs, studying the mechanisms that apply to Nematostella will also help gain further understanding in how hydraulics play a role in organ development and function." + Explora más

Eat more to grow more arms… if you're a sea anemone