Como humanos, sabemos que um estilo de vida ativo nos dá algum controle sobre nossa forma. Quando chegamos ao asfalto, acompanhamos nossos passos e vamos para a academia, podemos manter o desenvolvimento muscular e reduzir a gordura corporal. Nossa atividade física ajuda a moldar nossa figura física. Mas e se mantivermos aeróbica semelhante em nossas formas anteriores? É possível que nossos embriões também se exercitam?
Pesquisadores do grupo Ikmi do EMBL voltaram essas questões para a anêmona do mar para entender como o comportamento afeta a forma do corpo durante o desenvolvimento inicial. Acontece que as anêmonas do mar também se beneficiam da manutenção de um estilo de vida ativo, principalmente porque crescem de larvas nadadoras em forma de ovo para pólipos tubulares sedentários. Essa transformação morfológica é uma transição fundamental na história de vida de muitas espécies de cnidários, incluindo as águas-vivas imortais e os construtores do ecossistema mais rico e complexo do nosso planeta, os recifes de coral.

Durante o desenvolvimento, as larvas de anêmona-do-mar-estrela (Nematostella) realizam um padrão específico de movimentos ginásticos. Muita ou pouca atividade muscular ou uma mudança drástica na organização de seus músculos pode desviar a anêmona do mar de sua forma normal.

Em um novo artigo publicado na Current Biology , o grupo Ikmi explora como esse tipo de comportamento afeta o desenvolvimento animal. Com experiência em imagens ao vivo, metodologia computacional, biofísica e genética, a equipe multidisciplinar de cientistas transformou imagens ao vivo 2D e 3D em recursos quantitativos para rastrear mudanças no corpo. Eles descobriram que as anêmonas do mar em desenvolvimento se comportam como bombas hidráulicas, regulando a pressão corporal por meio da atividade muscular e usando a hidráulica para esculpir o tecido larval.

"Os humanos usam um esqueleto feito de músculos e ossos para se exercitar. Em contraste, as anêmonas do mar usam um hidroesqueleto feito de músculos e uma cavidade cheia de água", disse Aissam Ikmi, líder do grupo EMBL. Os mesmos músculos hidráulicos que ajudam as anêmonas-do-mar em desenvolvimento também parecem afetar o modo como elas se desenvolvem. Usando um pipeline de análise de imagens para medir o comprimento, o diâmetro, o volume estimado e a motilidade da coluna do corpo em grandes conjuntos de dados, os cientistas descobriram que as larvas de Nematostella se dividem naturalmente em dois grupos:larvas de desenvolvimento lento e rápido. Para surpresa da equipe, quanto mais ativas as larvas, mais tempo elas levam para se desenvolver. "Nosso trabalho mostra como as anêmonas-do-mar em desenvolvimento essencialmente 'se exercitam' para construir sua morfologia, mas parece que elas não podem usar seu hidroesqueleto para se mover e se desenvolver simultaneamente", disse Ikmi.

Fazendo microscópios e construindo balões

"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." + Explorar mais

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