これはブログではない

生物学(主に理論生物学)の論文を書くために読みます

幾何的な埋め尽くしを介したショウジョウバエの複眼のタイル張りメカニズム

Takashi Hayashi;...;Makoto Sato(2022.5, Current Biology)[Tiling mechanisms of the Drosophila compound eye through geometrical tessellation]

 

理由

ラボSlackに流れてきた

 

概要

タイル張りメカニズムは多くの生物構造で観察される。複眼は興味深いタイル張りの例であり、複眼の光ユニットである個眼が六角形に配列することで構築されている。六角形のタイル張りは、構造的頑健性や最小境界長、また空間充填効率のような力学的制限によって共通である可能性がある。しかしながら、昆虫の中には四角形の平面を示すものも存在する。エビやロブスターのような水生甲殻類の数種は、四角形の平面を持つように進化してきた。明確な例はシャコ類であり、シャコ類の複眼は六角形の半球の間に四角形の領域を持つ。このことから、力学的安定性が原因で本質的に六角形のタイルが再発するという単純な説明が疑われる。同様に四角形のタイルパターンは、あるショウジョウバエの目が小さくなる変異体でも観察されるが、野生型の目は六角形である。このことから、個眼のタイル張りはこのような力学的制限で単純に説明できないことが示唆される。そうであるなら、四角形と六角形のパターンは発生中にどのように制御されるのか?ここでは、幾何的な埋め尽くしが個眼のタイルパターンを決定することを示す。目が小さくなる変異体では、隣接する個眼の相対位置が背腹軸に沿って伸びることで、六角形のパターンが四角形のパターンに変化した。複眼における四角形もしくは六角形のタイルパターンの設立において、個眼の規則的な分布とそれらの均一な成長が協調的に役割を果たすことを提案する。

 

印象的な図

Figure1.ショウジョウバエの複眼における六角形と四角形のタイルパターン

 

雑記

まだこんな面白い現象残っていたのね

サンゴの形態の定量化

Kyle J. A. Zawada;...;Joshua S. Madin(2019.8, Coral Reefs)[Quantifying coral morphology]

 

理由

ラボセミナーで出てきた

 

概要

サンゴの形態は生理的な違いからサンゴが見つかる環境まで、生態系の技師としての役割を通じてスケールを超えて重要な意味を持つ。しかしながら、系統間の形態の定量化は難しく、形態的な違いは従来粗い成長形態カテゴリ(例えば木様や大規模など)を介して捉えられている。本研究では、連続的な3次元形態の変数を同定することでサンゴ形態の定量化方法を開発する。これをするために、7つの成長形態カテゴリーにまたがるサンゴコロニーの152のレーザースキャンから推定した6つの変数とサイズの大きさの3つのオーダーを強調した。形の違いの88%は2つの主要要素で捉えられることが分かった。第一要素は凸性の体積コンパクトさの違いである。第二要素は表面の複雑性と上端の重さの間のトレードオフである。体積コンパクトさの違いは第二軸に沿った変化も限定する。この第二軸では、コンパクトさが小さいとき、表面の複雑性と上端の重さが変化する。従来の成長形態カテゴリがこの形態空間内の異なる領域を占めていた。しかしながら、これらの領域はコロニーサイズ内の形の変異のスケーリングによって重なる。それにもかかわらず、4つの形の変数内で70から95%の正確性で従来の成長形態カテゴリーを予測することができた。このことから、連続的な変数がこれらの成長形態によって意味される定量変数を捉えることが示唆された。サンゴの形態を、形の違いを捉える連続的な変数に抽出することで、サンゴ建築や生息地の提供のようなサンゴの生物学、生態学と生態系を支配するメカニズムをより検証できるようになるだろう。

 

雑記

論文読みは終わらない

物理過程に基づく機械学習

George Em Karniadakis;...;Liu Yang(2021.5, Nature Reviews Physics)[Physics-informed machine learning]

 

理由

ラボSlackシリーズ最後!(現状)

 

概要

偏微分方程式(PDEs)の数理離散化を用いる複数の物理問題の数値計算が大きく発展したにもかかわらず、未だにノイズのあるデータを途切れなく既存のアルゴリズムに統合することができず、メッシュ生成は複雑なままであり、パラメーター表記されたPDEsによって支配される高次元問題は取り組むことができない。さらに、陰の物理の逆問題を解くことは法外に高価であり、異なる定式化と精巧な計算機コードが必要である。機械学習は有望な代替案として出現したが、深層ニューラルネットワークは大量のデータが必要であり、科学的問題に常に適応できるわけでもない。その代わりに、このようなネットワークは(例えば連続的な時空間ドメインにおけるランダムな点で)物理法則を守ることで得られる追加の上方で訓練することができる。このような物理過程に基づく機械学習は、ノイズのあるデータと数理モデルを統合し、ニューラルネットワークや他のカーネルベースの回帰ネットワークと通じてそれらを解釈する。さらに、これでより正確かつより早く訓練でき、一般性が向上した物理的不変量のいくつかを自動的に満たす特化したネットワーク構造を設計できる可能性がある。ここでは、機械学習へ物理を埋め込むいくつかの流行や、最近の可能性や限界の現状をまとめる。さらに、陰の物理の発見や高次元の問題への挑戦を含む順問題と逆問題の両方への物理過程に基づく学習の多様な応用を議論する。

 

印象的な図

Figure1. 物理過程に由来するニューラルネットワーク構造

 

雑記

機械学習も勉強したいなぁ

拘束下のヒドラ再生における体軸極性の可塑性

Anton Livshits;...;Erez Braun(2022.1, bioRxiv)[Plasticity of body axis polarity in Hydra regeneration under constraints]

 

理由

たしかラボSlack

 

概要

動物の形態形成における主要な事象の一つは、極性のある体軸の出現である。ここでは従来の接合技術とライブイメージングを組み合わせて、ヒドラにおける体軸全体の再生中の体軸の極性の出現を研究する。複合組織は、親の動物の体軸に沿った輪の極性や元の位置で異なる構成において、分離した動物から切除した2つの輪の融合で作られる。初期の構成を変えることで、他の方法で親の動物から安定的に受け継がれた体軸極性が不安定になる可能性があり、逆転さえする。重要なことに、極性反転が関与する場合であっても頭部再生の場所は組織の先端に向けて強い偏りを示す。特に、元々反口側の組織先端で頭部の形成が観察された。これは既存のモルフォゲン勾配や損傷反応のみに基づくヒドラの再生モデルと互換しない。むしろ、対になる先端で頭部を形成する構造的な偏りは、超細胞アクチン繊維の組織化に欠損があることで強化されることが示唆される。アクチン繊維は、組織治癒として先端で常に形成される。このシナリオにおいて、この欠損は先端での頭部の形成を支持し、さらに欠損は頭部形成に必要でも十分でもない。これらを合わせると、結果から体軸決定は力学フィードバックとシグナル過程との動的相互作用から生じる統合過程であることが示唆された。

 

雑記

やっぱ生き物の再生って面白いね

有蹄類の移動の進化的な原因と結果

Joel O. Abraham;..;Brett R. Jesmer(2022.5, Nature Ecology & Evolution)[Evolutionary causes and consequences of ungulate migration]

 

理由

これもたしかラボSlack

 

概要

有蹄類の移動は豊富な個体数と機能的な生態系の維持に重要である。しかしながら、移動行動が有蹄類でどのように、なぜ進化したのかはほとんど知られていない。有蹄類の移動の進化起源を調べるために、哺乳類の複合的な種レベルの系統発生を用いて、系統樹解析を行った。その結果、207の現存する有蹄類種のうち95種が少なくとも部分的に移動性であり、17の系統で独立した起源の移動行動を持つことが分かった。移動行動の進化は、餌の草への依存性と季節性の餌の波が流行するような高緯度での生活と最も関連していた。実際に、起源は中期中新世の冷却とそれに続くC4草原の上昇と一致する。さらに進化する移動行動はより大きな体の進化を支持し、このことから、有蹄類が新たな生態空間を奪い取ることができるようになった。移動行動の再構成から、さらに最近絶滅した10種のうち7種がおそらく移動性であることが解明された。このことから、現代の移動が過去の生態系を理解する重要なモデルであることが示唆された。

 

雑記

系統分野の研究も面白そうなのよね

アクティブネマティック液面の形態力学

Sami C. Al-Izzi, Richard G. Morris(2022.4, bioRxiv)[Morphodynamics of Active Nematic Fluid Surfaces]

 

理由

これもたしかラボSlack

 

概要

変形する曲面上のアクティブネマティック液面の振る舞いを支配する形態力学方程式は、一般的な大きい変形限界について構成された。接線流がオイラー路であることを確実にする一方で一般的な変形を説明する客観的な速度の定式化と、ネマチック自由エネルギーにおける表面の(共変微分ではなく)微分係数の利用に重きが置かれている。この自由エネルギーは表面の平面曲げに対する局所秩序と弾性的に共役する。表面幾何と流体内の動的相互作用に焦点を当てて、いくつかの実例となる不安定性を特徴化する。ここでは、スクライヴン-ラブ数とそのネマチック類似体(スピン結合)の役割が無視できない場合と、ネマチック力はFöppl-von-Kármán数の非ゼロアクティブ類似物で特徴化される場合を含む。前者では、内部曲率によって誘導される粘性散逸が表面変形へのネマチック配向子と共役した結果、管への非軸対称な摂動の非自明な緩和ダイナミクスが起こる。後者では、ネマチックアクティブ力が構造の弾性自由エネルギーと共役した結果、管への非軸対称な摂動下での伸びと縮みの不安定性が起こり、同様に縮小の場合では管へのネマチック構造における更なる曲げ不安定性が起こる。最終的に、ほとんど平らな膜の一部に位置するトポロジカル欠損を調べた。その結果、欠損弾性、活性と無視できないスピン結合の組み合わせが表面における形の変化を駆動するような定常状態が存在することが示された。

 

雑記

なに言ってっかわかんねぇ~

真核生物の多細胞性の進化における不完全な脱離と細胞質間橋

Agathe Chaigne and Thibaut Brunet(2022.4, Current Biology)[Incomplete abscission and cytoplasmic bridges in the evolution of eukaryotic multicellularity]

 

理由

ラボSlackに流れてきた・・・気がする

 

概要

細胞分裂の教科書的な観点は、脱離と呼ばれる過程で2つの娘細胞が最終的に分かれることで起こる。しかしながらこの従来の考えとは対照的に、多細胞生物における多様な細胞種は細胞質間橋を通じて繋がっている。細胞質間橋は不完全な脱離もしくはより稀には原形質膜の局所的な融合によって形成する。この総説では、真核生物の生命の樹の中で細胞質間橋の分布と機能、形態を調査した。細胞質間橋は広く存在しており、5つの「複雑な多細胞」系統である動物界・菌界・陸上植物界・紅藻・褐藻を含むクローンの多細胞性を持つ真核生物のほとんどの全ての系統で祖先的に存在するようであることが分かった。動物界では、不完全な脱離の結果として生じる細胞質間橋は生殖細胞系列に偏在し、多能性細胞種で共通である。細胞質間橋は(接着タンパク質や細胞外マトリックスのような)多細胞生物の他の構造的調節因子より研究されていないが、おそらく最初に構造的な役割を行い、その後栄養の交換や細胞間コミュニケーションを可能にすることで、これらは真核生物のクローン的な多細胞性の重複した進化において重要な役割を果たすことが提案される。この細胞間コミュニケーションが遺伝子発現を平均化することで細胞間競争を緩和する。最終的に、間橋は空間的な細胞分化、組織内の細胞移動、そしてシグナルや代謝物の細胞内分布の他のメカニズムが共同する多くの動物組織で失われる。最後に、不完全な脱離の進化の分子基盤を議論し、単一もしくは複数の起源の代わりとなる仮説を検証する。

 

印象的な図

Figure3. 細胞質間橋の仮説的な機能

 

雑記

知らないことがまだまだあるなぁ