Кончик носа многих млекопитающих покрыт особой безволосой кожей, испещренной мелкими канавками. Специалисты называют ее ринарием. Он содержит множество желез, которые помогают удерживать влагу. Если присмотреться, то складки ринария образуют полигональные структуры. Почему так происходит, до сих пор не вполне ясно. Чтобы разобраться в проблеме, европейские ученые смоделировали рост ринария у эмбрионов.
В животном мире нередко встречаются довольно сложные узоры на коже: полосы у зебры, пятна у леопарда. Эти структуры закладываются на эмбриональной стадии развития.
Есть два подхода к их описанию. Химический восходит к реакционно-диффузным моделям Алана Тьюринга. Важным звеном выступают сигнальные центры, регулирующие рост клеток. Так, перья птиц, волосы у млекопитающих, чешуя змеиной кожи развиваются из плакод — анатомических структур в голове позвоночных.
Второй подход — механистический. Согласно ему, механическое ограничение в растущей ткани приводит к образованию разных структур: сетевых, «мозговых», складчатых. С этих позиций описаны многие складчатые структуры в биологии, например мембраны лейкоцитов, стенки дыхательных путей, опухоли. Подсматривая за живой природой, биоинженеры повторили складчатые структуры в искусственных органах, датчиках.
Ученые во главе с Мишелем Милинковичем из Университета Женевы (Швейцария) применили механистический подход к морфогенезу, чтобы изучить, как возникает ринарий.
«Найти примеры удивительных узоров в живой природе очень просто. Надо просто посмотреть вокруг! Именно это мы и сделали в нашей новой работе, изучая носы собак, хорьков и коров, покрытых единой сетью полигональных структур», — прокомментировал профессор Милинкович в связи с выходом статьи в журнале Current Biology.
Ринарий этих животных представляет собой выступающие многоугольники в окружении эпидермальных складок. У собак он выполняет важную функцию, помогая обонянию.
Поскольку кончик носа всегда увлажнен, на него попадает больше молекул из воздуха, которые затем перемещаются в носовую расщелину, а оттуда — в протоки в верхнем небе для последующего распознавания запаха. Кроме того, ринарий участвует в терморегуляции. Например, грызуны с его помощью охлаждают мозг.
Исследователи наблюдали развитие ринария у эмбрионов. Визуализировать процесс помогла оптогенетика. Выяснилось, что полигональная структура кожи носа формируется очень рано, процесс этот во многом самоорганизующийся, но с опорой на механические ограничители в виде базовой сети «жестких» кровеносных сосудов.
Используя двухчастную модель ринария, в которой многослойная кожа растет на подложке с сетью сосудов, исследователи запустили 3D-моделирование и получили характерные полигональные структуры. В итоге удалось проследить появление ринария собаки и понять общую механику.
Изначально чрезмерный рост базального сосудистого слоя заставляет эпидермис пучиться. Затем выступающие многоугольники растут вдоль сосудов, которые их механически ограничивают. Получается уже не чисто случайный процесс.
«Наше численное моделирование показало, что механические нагрузки, созданные обширным эпидермальными ростом, идут от подлежащих кровеносных сосудов. Это своего рода узловые точки. Слои эпидермиса выталкиваются вверх, как купола над жесткими колоннами», — пояснил первый автор научной работы Поль Дагене.
По мнению исследователей, им впервые удалось описать принцип «механистической позиционной информации» для объяснения формирования структур во время эмбрионального развития. В дальнейшем это поможет объяснить образование других биологических структур в присутствии кровеносных сосудов.