Голова черепахи — это машина времени с отпечатками миллионов лет эволюции
NewsMakerУченые смогли заглянуть в те времена, когда биология ещё подчинялась физике.
Строение кожи позвоночных на первый взгляд может казаться чем-то давно изученным и понятным, но новые данные из Университета Женевы заставляют взглянуть на привычные вещи совершенно иначе. Черепахи — одни из древнейших существ на планете — неожиданно оказались носителями уникального биологического парадокса: их голова покрыта чешуёй, которая формируется двумя радикально разными способами. В животном мире такое раздвоение механизмов ранее не встречалось ни у одного другого позвоночного.
Если у млекопитающих и птиц перья и волосы развиваются из специализированных участков кожи, называемых плакодами, то у крокодилов эти участки вовсе не участвуют в образовании чешуи. Вместо них морда рептилии приобретает текстуру за счёт механических складок, образующихся в результате роста кожи и подлежащих тканей с разной скоростью. До недавнего времени казалось, что крокодилы — единственное исключение из общей генетически регулируемой схемы. Но исследование , опубликованное в журнале iScience, полностью изменило эту картину.
Группа учёных под руководством профессора Мишеля Милинковича из Женевского университета ранее уже описывала необычный механизм формирования чешуи у крокодилов. В новой работе они сосредоточились на черепахах — ближайших ныне живущих родственниках как крокодилов, так и птиц. И именно в их строении удалось впервые обнаружить сосуществование двух механизмов — химического и физического — на одной и той же анатомической структуре.
Оказалось, что в периферийных зонах головы, то есть по краям, чешуя черепах формируется по классическому сценарию: в этих областях активируются гены, характерные для развития плакод, и происходит чёткое, генетически запрограммированное формирование кожных выростов. Эти участки следуют знакомому всем биологам пути развития, где ключевую роль играют молекулярные сигналы, передающиеся между клетками.
Совсем иначе обстоит дело с верхней частью головы. Здесь учёные не обнаружили ни малейших следов генетической активности, свойственной плакодам. Вместо этого ткани ведут себя как гибкая плёнка, натянутая на медленно растущее основание. Из-за различий в темпах расширения кожи и костей возникают механические напряжения, которые приводят к спонтанному формированию складок. Именно они и определяют необычные асимметричные узоры чешуи в центральной области черепаховой головы.
Для подтверждения своих выводов исследователи использовали передовую технологию 3D-светолистовой микроскопии, а также компьютерное моделирование. Комбинируя визуальные наблюдения с вычислительными экспериментами, команда показала, что физического давления, возникающего от разности роста тканей, вполне достаточно, чтобы вызвать складчатую структуру поверхности. Эти деформации не случайны, а воспроизводимы — они подчиняются определённым геометрическим закономерностям.
По словам одного из авторов, постдока Рори Купера, именно механическое складывание объясняет странную, неправильную форму отдельных участков чешуи на макушке. В то же время инженер Эбрахим Джаханбахш, который также участвовал в работе, обратил внимание на удивительную изменчивость этих рисунков: узоры могут отличаться не только у разных особей, но даже между левой и правой сторонами одной и той же головы.
С эволюционной точки зрения такое открытие представляет огромный интерес. Все современные черепахи, включая сухопутных и морских, относятся к группе Testudinata — ближайших родственников и крокодилов, и птиц. Совпадение механического механизма у первых двух групп указывает на его древнее происхождение. Скорее всего, способность формировать чешую посредством физических сил появилась ещё у общего предка этих трёх линий — возможно, даже у динозавров.
Милинкович подчёркивает, что речь идёт не о редкой адаптации, а об утерянной функции: птицы, по-видимому, в процессе эволюции отказались от этого метода, сохранив лишь молекулярную схему с плакодами. Таким образом, черепахи и крокодилы — это не просто представители разных подходов к морфогенезу, а носители параллельных наследственных стратегий, соединившихся в одной анатомической зоне.
Новый взгляд на происхождение кожных структур меняет и саму картину эволюции рептилий. Биологи получают весомое подтверждение того, что физические силы могут играть не меньшую роль в формировании тканей, чем гены. Это особенно важно в контексте изучения древних видов, о которых известно по фрагментам скелетов и отпечаткам кожи: возможно, многие сложные структуры, ранее считавшиеся результатом генной регуляции, на самом деле формировались по законам механики.
За пределами эволюционной биологии открытие может иметь серьёзные практические последствия. Исследование показывает, как из простого взаимодействия тканей и сил натяжения могут возникать сложные узоры. Такой принцип — когда форма рождается из физики, а не из инструкции — представляет интерес для инженеров, архитекторов, материаловедов и медиков.
В сфере биомиметики, которая занимается созданием технологий на основе решений, подсмотренных у природы, подобные механизмы могут быть ключом к разработке новых гибких материалов . В регенеративной медицине эти данные способны помочь в управлении ростом тканей или восстановлении кожных покровов после повреждений.
Таким образом, черепаха оказалась не просто носителем древнего генетического наследия, а живым примером того, как эволюция может сочетать молекулы и механику. Её чешуя — это не только защита, но и архив миллионов лет истории, закодированной одновременно в генах и в геометрии складок.
Если у млекопитающих и птиц перья и волосы развиваются из специализированных участков кожи, называемых плакодами, то у крокодилов эти участки вовсе не участвуют в образовании чешуи. Вместо них морда рептилии приобретает текстуру за счёт механических складок, образующихся в результате роста кожи и подлежащих тканей с разной скоростью. До недавнего времени казалось, что крокодилы — единственное исключение из общей генетически регулируемой схемы. Но исследование , опубликованное в журнале iScience, полностью изменило эту картину.
Группа учёных под руководством профессора Мишеля Милинковича из Женевского университета ранее уже описывала необычный механизм формирования чешуи у крокодилов. В новой работе они сосредоточились на черепахах — ближайших ныне живущих родственниках как крокодилов, так и птиц. И именно в их строении удалось впервые обнаружить сосуществование двух механизмов — химического и физического — на одной и той же анатомической структуре.
Оказалось, что в периферийных зонах головы, то есть по краям, чешуя черепах формируется по классическому сценарию: в этих областях активируются гены, характерные для развития плакод, и происходит чёткое, генетически запрограммированное формирование кожных выростов. Эти участки следуют знакомому всем биологам пути развития, где ключевую роль играют молекулярные сигналы, передающиеся между клетками.
Совсем иначе обстоит дело с верхней частью головы. Здесь учёные не обнаружили ни малейших следов генетической активности, свойственной плакодам. Вместо этого ткани ведут себя как гибкая плёнка, натянутая на медленно растущее основание. Из-за различий в темпах расширения кожи и костей возникают механические напряжения, которые приводят к спонтанному формированию складок. Именно они и определяют необычные асимметричные узоры чешуи в центральной области черепаховой головы.
Для подтверждения своих выводов исследователи использовали передовую технологию 3D-светолистовой микроскопии, а также компьютерное моделирование. Комбинируя визуальные наблюдения с вычислительными экспериментами, команда показала, что физического давления, возникающего от разности роста тканей, вполне достаточно, чтобы вызвать складчатую структуру поверхности. Эти деформации не случайны, а воспроизводимы — они подчиняются определённым геометрическим закономерностям.
По словам одного из авторов, постдока Рори Купера, именно механическое складывание объясняет странную, неправильную форму отдельных участков чешуи на макушке. В то же время инженер Эбрахим Джаханбахш, который также участвовал в работе, обратил внимание на удивительную изменчивость этих рисунков: узоры могут отличаться не только у разных особей, но даже между левой и правой сторонами одной и той же головы.
С эволюционной точки зрения такое открытие представляет огромный интерес. Все современные черепахи, включая сухопутных и морских, относятся к группе Testudinata — ближайших родственников и крокодилов, и птиц. Совпадение механического механизма у первых двух групп указывает на его древнее происхождение. Скорее всего, способность формировать чешую посредством физических сил появилась ещё у общего предка этих трёх линий — возможно, даже у динозавров.
Милинкович подчёркивает, что речь идёт не о редкой адаптации, а об утерянной функции: птицы, по-видимому, в процессе эволюции отказались от этого метода, сохранив лишь молекулярную схему с плакодами. Таким образом, черепахи и крокодилы — это не просто представители разных подходов к морфогенезу, а носители параллельных наследственных стратегий, соединившихся в одной анатомической зоне.
Новый взгляд на происхождение кожных структур меняет и саму картину эволюции рептилий. Биологи получают весомое подтверждение того, что физические силы могут играть не меньшую роль в формировании тканей, чем гены. Это особенно важно в контексте изучения древних видов, о которых известно по фрагментам скелетов и отпечаткам кожи: возможно, многие сложные структуры, ранее считавшиеся результатом генной регуляции, на самом деле формировались по законам механики.
За пределами эволюционной биологии открытие может иметь серьёзные практические последствия. Исследование показывает, как из простого взаимодействия тканей и сил натяжения могут возникать сложные узоры. Такой принцип — когда форма рождается из физики, а не из инструкции — представляет интерес для инженеров, архитекторов, материаловедов и медиков.
В сфере биомиметики, которая занимается созданием технологий на основе решений, подсмотренных у природы, подобные механизмы могут быть ключом к разработке новых гибких материалов . В регенеративной медицине эти данные способны помочь в управлении ростом тканей или восстановлении кожных покровов после повреждений.
Таким образом, черепаха оказалась не просто носителем древнего генетического наследия, а живым примером того, как эволюция может сочетать молекулы и механику. Её чешуя — это не только защита, но и архив миллионов лет истории, закодированной одновременно в генах и в геометрии складок.