Во влажном тепле яйца крокодила разворачивается что-то необычное. Кожа крошечного эмбриона начинает рябить и складываться в узор, который станет устрашающим массивом чешуек, который мы узнаем на взрослом крокодиле. Но в отличие от перьев птиц или шерсти млекопитающих, эти чешуйки не формируются так, как когда-то думали биологи.
Новое исследование показывает, что эти полигональные узоры не являются результатом тщательно спланированного генетического проекта. Вместо этого они возникают из физики растущей кожи. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature.
Десятилетиями ученые считали, что большинство придатков кожи — будь то перья, мех или чешуя — растут в ходе схожего процесса. Молекулярные сигналы, закодированные в ДНК, создают эти узоры. Но чешуя на голове крокодила рассказала другую историю: она появляется не из-за генетики, а из-за механических сил, действующих во время развития эмбриона.
Сначала голова эмбриона крокодила покрыта гладкой кожей. Но по мере роста эмбриона кожа начинает складываться внутрь. Эти складки расходятся и пересекаются, в конечном итоге образуя нерегулярную мозаику полигональных чешуек, покрывающих морду и челюсти крокодила.
Исследователи обнаружили, что эти складки возникают из-за механического явления, называемого компрессионным напряжением. Поскольку кожа крокодила быстро растет, она начинает прогибаться под давлением. Верхний слой кожи, эпидермис, растет быстрее, чем лежащая под ним дерма. Поскольку дерма жестче, более быстрорастущий эпидермис мнется и складывается, создавая характерные трещины, которые очерчивают каждую чешуйку.
Это похоже на то, как лист бумаги деформируется при сжатии.
Результаты были подтверждены после того, как команда Женевского университета ввела эмбрионам крокодила эпидермальный фактор роста (EGF), белок, который ускоряет рост кожи. Результат был драматичным. Вместо того, чтобы сформировать обычные полигональные чешуйки, эмбрионы развили сложные, похожие на мозг узоры складок. Когда лечение было прекращено достаточно рано, кожа частично расслабилась обратно в более мелкие, более многочисленные чешуйки, напоминающие чешуйки кайманов.
Ускорив рост эпидермиса, исследователи усилили сжатие, в результате чего кожа отреагировала еще большим складкообразованием.
Это открытие не только объясняет, как формируется чешуя крокодила, но и намекает на то, как эволюция может генерировать разнообразие с помощью простых механических процессов. Крокодилы — группа, в которую входят крокодилы, аллигаторы и кайманы — демонстрируют разнообразные узоры чешуи на голове. У некоторых чешуя крупная, нерегулярная, у других — более мелкая, плотно прилегающая. Исследование предполагает, что эти различия могут возникать из-за небольших изменений в скорости роста или жесткости слоев кожи во время развития.
Другими словами, это пример того, как механические силы могут формировать эволюцию. Вам не нужны совершенно новые генетические инструкции для создания новых моделей. Иногда достаточно небольшого изменения динамики роста.
Исследователи также создали компьютерные симуляции для моделирования этого механического процесса. Регулируя такие параметры, как жесткость кожи и скорость роста, они смогли воспроизвести различные узоры чешуи, наблюдаемые у разных видов крокодилов.
Механические силы играют роль в формировании других биологических структур, от извилистых складок человеческого мозга до ворсинок, выстилающих наш кишечник. Понимание этих процессов может помочь ученым разгадать тайны в других областях, таких как тканевая инженерия и биология развития.
Биология часто представляет собой смесь генетики и физики. Чешуя крокодила напоминает нам, что иногда самые простые механические силы могут создавать самые замысловатые узоры.
