Узор, вылепленный физикой: эволюция в чешуе черепах

У большинства позвоночных кожные придатки (волосы, перья, чешуя) развиваются из плакод — небольших участков кожи, чья пространственная организация контролируется консервативными генетическими сигналами. Крокодилы — исключение: их головная чешуя образуется не из плакод, а в результате простого механического складывания растущей кожи.

Новое исследование Университета Женевы (UNIGE) показывает, что черепахи используют оба этих различных процесса для формирования чешуи на разных частях головы. Это говорит о том, что механическое формирование чешуи — древний признак, общий с крокодилами и, вероятно, динозаврами, но утраченный птицами.

Исследование, опубликованное в iScience, проливает новый свет на эволюцию рептилий и открывает возможности для инноваций в прикладных областях.

Одна голова — два механизма

Лаборатория Мишеля Милинковича ранее выяснила этот механизм у крокодилов. Теперь команда сосредоточилась на черепахах. Учёные обнаружили, что черепахи комбинируют обе стратегии — впервые среди позвоночных.

• Периферийная чешуя на голове следует классической химической модели, экспрессируя гены, типичные для развития плакод.
• Чешуя на макушке не показывает следов этих генетических сигналов. Здесь кожа складывается под механическим напряжением, вызванным более медленным ростом подлежащих тканей, особенно костной.

С помощью 3D микроскопии светового листа и компьютерного моделирования исследователи показали, что этих механических сил достаточно для создания наблюдаемых неправильных полигональных узоров. «Это механическое складывание объясняет асимметричную форму чешуек на макушке», — говорит Рори Купер, соавтор исследования.

«Оно также объясняет замечательные вариации между особями и даже между левой и правой стороной головы одной особи», — добавляет Эбрахим Джаханбахш, соавтор исследования.

Унаследованный древний признак рептилий

С эволюционной точки зрения это открытие значимо. Черепахи (Testudinata) — ближайшие ныне живущие родственники крокодилов и птиц. Тот факт, что черепахи и крокодилы разделяют механический процесс формирования головной чешуи, указывает на его происхождение от их общего предка и последующую утрату у птиц.

«Это раскрывает новую грань эволюционной истории рептилий: способность генерировать узоры головной чешуи с помощью механических сил — древний признак. Он предшествовал появлению современных черепах, крокодилов и птиц и, следовательно, скорее всего, присутствовал у динозавров», — говорит Милинкович.

Помимо эволюционной биологии, эти результаты важны для биомиметики и регенеративной медицины. Понимание того, как сложные структуры возникают из простых физических правил, может вдохновить на прорывы в архитектуре, регенерации тканей и создании инновационных материалов.