Механика, а не только генетика, формирует разнообразие чешуй крокодилов

Происхождение морфологического разнообразия живых организмов — одна из величайших загадок науки. Хотя ответом обычно считается генетика, это не единственное объяснение.

Мультидисциплинарная команда из Женевского университета (UNIGE), объединив наблюдения за эмбриональным развитием, передовую микроскопию и компьютерное моделирование, показала, что чешуйки на голове крокодила формируются благодаря механике растущих тканей, а не молекулярной генетике.

Разнообразие этих чешуй, наблюдаемое у разных видов крокодилов, возникает в результате эволюции механических параметров, таких как скорость роста и жёсткость кожи. Результаты, опубликованные в журнале Nature, проливают новый свет на физические силы, участвующие в развитии и эволюции живых форм.

Ранее команда показала, что эмбриональное развитие чешуй на голове крокодила, в отличие от чешуй тела, напоминает процесс распространения трещин в материале под механическим напряжением. Однако истинная природа этого физического процесса оставалась неизвестной.

Как распространяющаяся трещина

Учёные отследили появление чешуй на голове у эмбриона нильского крокодила (развитие длится около 90 дней). До 48-го дня кожа на челюстях остаётся гладкой, но примерно на 51-й день появляются кожные складки. Затем они распространяются и соединяются, образуя неправильные многоугольные чешуйки.

Если кожа животного растёт быстрее, чем подлежащая ткань, к которой она прикреплена, она начинает изгибаться и складываться, так как её рост ограничен. Команда исследовала, может ли этот процесс объяснить появление складок и чешуй у эмбриона крокодила.

Учёные разработали методику инъекции в яйца крокодила гормона EGF (Epidermal Growth Factor), активирующего рост и упрочнение эпидермиса. Активация роста и увеличение жёсткости поверхности кожи привели к драматическому изменению организации кожных складок.

«Мы увидели, что кожа эмбриона складывается аномально и образует лабиринтную сеть, напоминающую извилины человеческого мозга. Удивительно, но когда эти обработанные EGF крокодилы вылупляются, эта мозгоподобная складчатость расслабляется в узор из гораздо более мелких чешуек, сравнимых с чешуйками другого вида крокодилов — каймана», — объясняют Габриэль Сантос-Дуран и Рори Купер, постдоки в лаборатории Милинковича.

Таким образом, вариации в скорости роста и жёсткости кожи представляют собой простой эволюционный механизм, способный генерировать широкое разнообразие форм чешуи среди разных видов крокодилов.

3D-модель развития челюсти

Учёные использовали передовую технику визуализации — микроскопию светового листа — чтобы количественно оценить скорость роста и геометрию различных тканей (эпидермиса, дермы и кости), составляющих голову эмбриона, а также организацию коллагеновых волокон в дерме.

На основе этих данных была построена трёхмерная компьютерная модель для симуляции ограниченного роста кожи. Модель также позволила исследовать эффекты изменения специфических скоростей роста и жёсткости слоёв ткани.

«Исследуя эти различные параметры, мы можем генерировать различные формы чешуй головы, соответствующие нильскому крокодилу (как с обработкой EGF, так и без неё), а также очковому кайману или миссисипскому аллигатору», — сказал Эбрахим Джаханбахш, компьютерный инженер в лаборатории Милинковича.

Эти компьютерные симуляции демонстрируют, что механика тканей может легко объяснить разнообразие форм определённых анатомических структур у разных видов, без необходимости привлекать сложные молекулярно-генетические факторы.