Чешуя крокодила формируется благодаря росту тканей, а не генетике
Крокодилы с их замысловатой чешуей на голове и поразительными физическими особенностями служат примером благоговейного морфологического разнообразия, встречающегося в жизни на Земле.
Это глубокое разнообразие, особенно у рептилий, вызывает любопытство к силам, которые формируют такие черты. Почему возникают эти различия? Вы можете предположить, что это генетика, и не будете совсем неправы.
Однако недавнее исследование, проведенное междисциплинарной группой из Женевского университета (UNIGE), вскружило голову (и чешую). Оказывается, физиологические характеристики, такие как чешуя на голове крокодила, во многом связаны не с молекулярной генетикой, а с механикой роста тканей.
Неизвестные архитекторы крокодиловой чешуи
Часто связь между физическими особенностями организма и генетикой кажется очевидной. Мишель Милинкович, профессор факультета естественных наук UNIGE, стремился к более глубокому пониманию этой связи.
Его исследование было посвящено эволюции и развитию кожных придатков позвоночных, таких как перья, волосы и чешуя.
В своей предыдущей работе профессор Милинкович обнаружил, что развитие чешуи головы крокодила отражает распространение трещин в механически напряженном материале.
Дальнейшее изучение этого явления привело Милинковича и его команду на путь необычных междисциплинарных исследований.
Путешествие в неизведанное
Путешествие началось с наблюдения за эмбриональным развитием нильского крокодила. Команда отметила, что кожа этого существа оставалась гладкой примерно до 48 дня предполагаемого 90-дневного периода беременности.
Примерно на 51-й день появились складки кожи, которые соединились между собой и образовали неправильные многоугольные чешуйки разного размера в разных областях головы.
Чтобы определить, может ли ограниченный рост кожи быть причиной появления этих складок и последующих чешуек, команда ввела в яйца крокодилов гормон (эпидермальный фактор роста или EGF), который, как известно, стимулирует рост и жесткость кожи. В результате произошли удивительные изменения в организации кожных складок.
«Мы увидели, что кожа эмбриона складывается аномальным образом и образует лабиринтную сеть, напоминающую складки человеческого мозга», - отметили соавторы исследования Габриэль Сантос-Дуран и Рори Купер.
Интересно, что после того, как крокодилы, обработанные EGF, вылупились, эта похожая на мозг складчатость упростилась и превратилась в узор из гораздо более мелких чешуек, похожих на те, что встречаются у другого вида крокодилов - каймана.
Рост кожи и чешуя крокодила
Чтобы лучше понять, как рост кожи влияет на формирование чешуи, команда исследователей использовала «световую листовую микроскопию» для измерения скорости роста и геометрии различных тканей, составляющих голову эмбриона.
Используя эти данные, команда создала компьютерную 3D-модель для моделирования роста кожи в условиях ограничений. Они манипулировали конкретными скоростями роста и жесткостью тканевых слоев в модели, чтобы оценить их влияние.
«Исследуя эти параметры, мы можем создать различные формы головы, соответствующие нильским крокодилам как с лечением EGF, так и без него, а также очковому кайману или американскому аллигатору», - пояснил Эбрахим Джаханбахш, компьютерный инженер, работающий с Милинковичем.
Таким образом, это исследование предоставляет убедительные доказательства того, что механика роста тканей может способствовать разнообразию определенных анатомических структур у разных видов, без необходимости в сложных молекулярно-генетических факторах.
По сути, получается, что природа в своей величайшей мудрости использует множество инструментов для создания поразительного разнообразия жизни на нашей планете.
Последствия для эволюционной биологии
Данное исследование не только меняет наше представление о формировании чешуи крокодила, но и бросает вызов традиционным взглядам в эволюционной биологии.
Демонстрируя, что механические силы, а не только генетические факторы, могут управлять развитием сложных анатомических особенностей, исследование открывает новые двери для изучения эволюции разнообразных организмов.
Такие выводы имеют далеко идущие последствия, распространяясь на другие виды с уникальными морфологическими признаками, такими как узорчатая чешуя змей, карапакс черепах и даже перья птиц.
Полученные результаты позволяют предположить, что в формировании этих признаков наряду с генетическими зачатками важную роль могут играть экологические и механические ограничения.
Будущие направления исследований
Более того, этот междисциплинарный подход, сочетающий биологию, физику и вычислительное моделирование, может вдохновить на создание новых методов изучения эволюции формы и функции как у живых, так и у вымерших видов.
Анализируя физические силы, действующие на растущие ткани, исследователи могут получить представление о происхождении древних видов и давлении окружающей среды, с которым они сталкивались.
В конечном счете, исследование подчеркивает сложное взаимодействие между генетикой, механикой и эволюцией, напоминая нам о том, что природа использует универсальный набор инструментов для создания захватывающего разнообразия жизни на Земле.
Полная версия исследования была опубликована в журнале Nature.
