Ένα καφέ φύκι που ελέγχει το άγχος για να διατηρήσει το σχήμα του
Για να διατηρήσει το σχήμα του και να αναπτυχθεί, ένα κύτταρο χρειάζεται δύναμη. Ενώ τα ζώα, των οποίων τα κύτταρα είναι «γυμνά», βασίζονται κυρίως στον κυτταροσκελετό τους, οργανισμοί όπως οι μύκητες, τα φυτά και τα φύκια περιορίζονται από την παρουσία ενός περιβλήματος, του κυτταρικού τοιχώματος, το οποίο μπορεί να είναι πολύ άκαμπτο. Μερικοί από αυτούς τους τοιχωματικούς οργανισμούς αναπτύσσουν νημάτια κατασκευασμένα από ένα ευθυγραμμισμένο κύτταρο, μεταξύ των οποίων μόνο το πιο απομακρυσμένο είναι υπεύθυνο για την ανάπτυξη:αυτό το αποκαλούμενο «ακρυϊκό κύτταρο» μοιάζει με κλειστό κύλινδρο με θόλο στο ένα άκρο. Ο θόλος προχωρά συνεχώς προς τα εμπρός, επιμηκύνοντας το κελί, το οποίο σε κάποιο σημείο διαιρείται, προσθέτοντας ένα υπο-ακρορριζικό κελί στο νήμα.
Ο κινητήρας αυτής της ανάπτυξης, που μπορεί να είναι αργός (2 μm / ώρα) ή πολύ γρήγορος (~ 1 mm / ώρα) ανάλογα με τον οργανισμό, είναι η πίεση στρέψης, η οποία ωθεί στον τοίχο με την ίδια ένταση παντού γύρω από το κύτταρο. Οι φυσικοί νόμοι υπονοούν ότι όσο πιο λυγισμένο το τοίχωμα ενός κυλίνδρου, τόσο μικρότερη γίνεται αντιληπτή η τοπική τάση τάνυσης (πίεση). Έτσι, στην περίπτωση της κορυφαίας ανάπτυξης, πώς το τέντωμα καταφέρνει να φουσκώσει μόνο τον καμπύλο θόλο, ενώ οι πλευρές του κυλινδρικού κελιού, που είναι επίπεδες, παραμένουν αναλλοίωτες; Στα φυτά, αυτή η πτώση της τάσης στον θόλο είναι γνωστό ότι αντισταθμίζεται από μια τοπική μαλάκυνση του τοίχου. Έτσι, ακόμα κι αν η πίεση είναι μικρότερη στην άκρη του κορυφαίου κυττάρου, εδώ συμβαίνει η παραμόρφωση του τοιχώματος.
Τα καφέ φύκια, αν και μοιράζονται κάποιες μορφολογικές και φυσιολογικές ομοιότητες με τα πράσινα και κόκκινα φύκια, εξελίχθηκαν σε μια ξεχωριστή εξελικτική πορεία. Δεν μοιράζονται καμία πατρότητα με τα φυτά, εκτός από τον πολύ αρχαίο πρόγονο, κοινό σε όλους τους ευκαρυώτες, συμπεριλαμβανομένων των ζώων. Επομένως, η ανάπτυξή τους προκύπτει από μια ξεχωριστή ιστορία τυχαίας μετατόπισης και προσαρμοστικής αναγκαιότητας, καθιστώντας τα πολύτιμα μοντέλα για μελέτες εξέλιξης της ανάπτυξης (evo-devo). Μελετώντας την κορυφαία ανάπτυξη στα καφέ φύκια, διαπιστώσαμε ότι χρησιμοποιούν μια εναλλακτική στρατηγική:αντί να αλλάζουν τις μηχανικές ιδιότητες του τοιχώματος τους, προκαλούν διακυμάνσεις στην τοπική τάση τάνυσης. Πράγματι, σύμφωνα με τους φυσικούς νόμους, το πάχος του τοιχώματος είναι επίσης καθοριστικός παράγοντας για την τιμή της τάσης τάνυσης:ένας σωλήνας με λεπτότερο τοίχωμα είναι πιο πιθανό να ραγίσει υπό την επίδραση της πίεσης από έναν σωλήνα με παχύτερο τοίχωμα.
Όταν μετρήσαμε το πάχος του τοιχώματος κατά μήκος των κορυφαίων νηματοειδών κυττάρων του καφέ φυκιού Ectocarpus (από διαμήκεις τομές που παρατηρήθηκαν με ηλεκτρονική μικροσκοπία μετάδοσης), παρατηρήσαμε ότι το τοίχωμα ήταν περισσότερο από 15 φορές λεπτότερο (36 nm, λίγο περισσότερο από το πάχος του ένας μικροσωληνίσκος) στο τέλος του κυττάρου παρά στις πλευρές. Μια προσομοίωση χρησιμοποιώντας ένα βιοφυσικό μοντέλο δείχνει ότι η λέπτυνση του τοίχου είναι ακριβώς προσαρμοσμένη για να αντισταθμίσει τη μείωση της τάσης λόγω της καμπυλότητας του θόλου. Σύμφωνα με αυτό το μοντέλο, η δημιουργία μιας κλίσης πάχους κατά μήκος του κυττάρου είναι κρίσιμη τόσο για τη διατήρηση του σχήματος του κυττάρου κατά την ανάπτυξη όσο και για τον έλεγχο της ταχύτητάς του (Δείτε ταινία κινουμένων σχεδίων). Έτσι, ελέγχοντας το πάχος του τοιχώματός τους, τα καφέ φύκια αποφεύγουν να ρυθμίζουν τις μηχανικές ιδιότητες (ιξωδοπλαστικότητα), κάτι που θα ήταν ελκυστικό για χημικές ισορροπίες και περίπλοκες ενζυμικές δραστηριότητες, όπως στα φυτά.
Έτσι, το καφέ φύκι Ectocarpus, που υπόκειται στους ίδιους φυσικούς νόμους με τα φυτά της γης, φτάνει στον ίδιο στόχο ελέγχοντας διαφορετικές βασικές παραμέτρους. Στην παρούσα περίπτωση, αυτή είναι η τοπική ποσότητα υλικών κυτταρικού τοιχώματος παρά η χημική του σύνθεση. Αυτή η αρχική στρατηγική θα μπορούσε να σχετίζεται με την εξαιρετικά αργή ανάπτυξη του Ectocarpus - 2,5 μm / ώρα, τη χαμηλότερη που έχει μετρηθεί μέχρι στιγμής - ή με το θαλάσσιο περιβάλλον του που υπόκειται σε ισχυρές μηχανικές καταπονήσεις (ρεύματα, κύματα) και συχνές διακυμάνσεις της αλατότητας (παλλίρροιες, βροχή). .
