Som människor vet vi att en aktiv livsstil ger oss viss kontroll över vår form. När vi går ut på trottoaren, spårar våra steg och beger oss till gymmet kan vi bibehålla muskelutvecklingen och minska kroppsfettet. Vår fysiska aktivitet hjälper till att forma vår fysiska figur. Men tänk om vi upprätthöll liknande aerobics i våra tidigare former? Är det möjligt att våra embryon också tränade?

Forskare vid EMBL:s Ikmi-grupp vände dessa frågor mot havsanemonen för att förstå hur beteendet påverkar kroppsformen under tidig utveckling. Det visar sig att sjöanemoner också drar nytta av att upprätthålla en aktiv livsstil, särskilt när de växer från äggformade simlarver till stillasittande, rörformiga polyper. Denna morfologiska omvandling är en grundläggande övergång i livshistorien för många cnidarianarter, inklusive de odödliga maneterna och byggarna av vår planets rikaste och mest komplexa ekosystem, korallreven.

Under utvecklingen utför starlet havsanemonlarver (Nematostella) ett specifikt mönster av gymnastiska rörelser. För mycket eller för lite muskelaktivitet eller en drastisk förändring i organisationen av deras muskler kan avvika havsanemonen från dess normala form.

I en ny artikel publicerad i Current Biology , utforskar Ikmi-gruppen hur denna typ av beteende påverkar djurens utveckling. Med expertis inom levande avbildning, beräkningsmetodik, biofysik och genetik, förvandlade det tvärvetenskapliga teamet av forskare 2D och 3D live avbildning till kvantitativa funktioner för att spåra förändringar i kroppen. De fann att havsanemoner som utvecklas beter sig som hydrauliska pumpar, reglerar kroppstrycket genom muskelaktivitet och använder hydraulik för att skulptera larvvävnaden.

"Människor använder ett skelett av muskler och ben för att träna. Däremot använder havsanemoner ett hydroskelett av muskler och en hålighet fylld med vatten", säger Aissam Ikmi, EMBL-gruppledare. Samma hydrauliska muskler som hjälper de utvecklande sjöanemonerna att röra sig verkar också påverka hur de utvecklas. Med hjälp av en bildanalyspipeline för att mäta kroppskolonnlängd, diameter, uppskattad volym och rörlighet i stora datamängder, fann forskare att Nematostella-larverna naturligt delar sig själva i två grupper:långsamt och snabbt utvecklande larver. Till lagets förvåning, ju mer aktiva larverna är, desto längre tid tar de att utvecklas. "Vårt arbete visar hur utvecklande havsanemoner i huvudsak "tränar" för att bygga sin morfologi, men det verkar som att de inte kan använda sitt hydroskelett för att röra sig och utvecklas samtidigt, säger 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." + Utforska vidare

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