У позвоночных животных придатки кожи, такие как волосы, перья или чешуя, происходят из плакодов — небольших специализированных участков кожи, пространственная организация которых контролируется хорошо сохранившимися генетическими сигналами. Крокодилы являются исключением: их головные чешуйки возникают не из плакодов, а в результате простого механического складывания растущей кожи.
Новое исследование, проведённое в Университете Женевы (UNIGE), показывает, что черепахи используют оба этих различных процесса для развития чешуек на разных частях головы. Эти результаты позволяют предположить, что механическое формирование чешуек является чертой, унаследованной от предков, общей для крокодилов и, вероятно, динозавров, но утраченной у птиц.
Исследование опубликовано в iScience и проливает новый свет на эволюцию рептилий и открывает новые возможности для инноваций в нескольких прикладных областях.
Лаборатория Мишеля Милинковича, профессора кафедры генетики и эволюции на факультете естественных наук UNIGE, ранее выяснила этот механизм у крокодилов. На этот раз команда сосредоточилась на черепахах. Женевские учёные обнаружили, что черепахи сочетают обе стратегии — первыми среди позвоночных.
Периферийные чешуйки на голове следуют классической химической модели, выражая гены, типичные для развития плакодов. Напротив, на верхней части головы нет следов этих генетических сигналов: здесь кожа складывается под механическим напряжением, вызванным более медленным ростом нижележащих тканей, особенно костной ткани.
Используя 3D-микроскопию с освещением и компьютерное моделирование, исследователи демонстрируют, что этих механических сил достаточно для создания наблюдаемых в этой области неправильных многоугольных узоров.
«Это механическое складывание объясняет асимметричные формы чешуек на верхней части головы», — говорит Рори Купер, постдокторант в лаборатории Милинковича и соавтор исследования.
«Оно также объясняет значительные вариации, наблюдаемые у разных особей и даже между левой и правой сторонами головы одной особи», — добавляет Эбрахим Джаханбахш, учёный-компьютерщик в команде Милинковича и также соавтор исследования.
С эволюционной точки зрения это открытие имеет большое значение. Черепахи и водные черепахи (вместе известные как Testudinata) являются ближайшими ныне живущими родственниками крокодилов и птиц. Тот факт, что у черепах и крокодилов есть механический процесс формирования головных чешуек, предполагает, что он возник у их общего предка и был позже утрачен у птиц.
«Это раскрывает новый аспект эволюционной истории рептилий: способность генерировать узоры на голове с помощью механических сил является древней чертой, предшествующей появлению современных черепах, крокодилов и птиц и, следовательно, скорее всего, присутствовавшей у динозавров», — говорит Милинкович.
Помимо эволюционной биологии, эти результаты представляют большой интерес в новой области биомиметики — поиска инновационных решений, вдохновлённых природой, а также в регенеративной медицине. Понимание того, как сложные структуры возникают из простых физических правил, может вдохновить на достижения в таких областях, как архитектура, регенерация тканей и разработка инновационных материалов.
Предоставлено Университетом Женевы.