Скелеты морских звёзд раскрывают ключевые аспекты эволюции костей

Исследователи из Центра биомиметики и инноваций Бременского университета прикладных наук сделали новаторское открытие о том, как механическое напряжение формирует ультраструктуру скелетов морских звёзд. Их исследование, опубликованное в Acta Biomaterialia, представляет первый углублённый анализ реакции скелетов морских звёзд на различные условия нагрузки, раскрывая новые данные об эволюционных механизмах, управляющих адаптацией скелета.

Скелет морских звёзд состоит из тысяч мелких костеподобных элементов — оссикулов, которые имеют сложную пористую структуру, поразительно похожую на кости человека и других позвоночных. Эти оссикулы демонстрируют микроструктурную адаптацию, отражающую механические нагрузки, которые они испытывают, что подтверждает универсальный принцип адаптации к стрессу.

Связь биологии и биомеханики

С помощью передовой рентгеновской микротомографии и компьютерного моделирования учёные изучили 3D-архитектуру и распределение напряжения в оссикулах. Они обнаружили, что области, подверженные более высокому механическому напряжению, развивают более толстые стереомные микроструктуры — принцип, аналогично наблюдаемый в костях позвоночных.

Однако исследование также выявило ключевое отличие. В отличие от костей позвоночных, которые могут динамически перестраивать свою микроструктуру с течением времени, оссикулы морских звёзд лишены этой способности. Это указывает на то, что хотя связь между стрессом и структурной адаптацией является фундаментальной для мезодермальных скелетов в группе Deuterostomia, динамическое ремоделирование может быть уникальной чертой позвоночных.

«Полученные данные не только расширяют наше понимание эволюции скелетов, но и дают потенциальные импульсы для применения в биомедицине и лёгком строительстве. Демонстрируя, как жёсткие структуры адаптируются к внешним нагрузкам, несмотря на ограниченные возможности ремоделирования, скелеты морских звёзд предлагают ценное вдохновение для разработки новых материалов или строительных принципов», — говорит профессор д-р Ян Хеннинг Диркс.

Анализы проводились на мёртвых морских звёздах, которые были приловом научных экспедиций, с соблюдением строгих этических норм.