Кончик носа многих млекопитающих покрыт особой гладкой кожей, имеющей множество мелких бороздок. Эта область называется ринарием и содержит большое количество желез, которые помогают удерживать влагу.
Freepic
При внимательном рассмотрении можно заметить, что складки ринария образуют многоугольные формы. Причины такого явления до конца не выяснены. Чтобы разобраться в этом вопросе, группа европейских ученых провела моделирование роста ринария у эмбрионов.
В природе часто встречаются сложные узоры на коже животных, такие как полосы у зебр или пятна у леопардов. Эти узоры формируются на стадии эмбрионального развития.
Существует два основных подхода к их объяснению. Первый химический, основанный на реакционно-диффузных моделях, предложенных Аланом Тьюрингом. В этом контексте важную роль играют сигнальные центры, регулирующие клеточный рост. Например, перья у птиц и шерсть у млекопитающих развиваются из специализированных анатомических структур, известных как плакоды.
Второй подход механистический. Он предполагает, что механические ограничения в растущих тканях приводят к образованию различных структур: сетчатых, складчатых и т.д. Этот подход помогает объяснить многие биологические структуры, такие как мембраны лейкоцитов или стенки дыхательных путей. Биоинженеры используют наблюдения за природой для создания аналогичных складчатых структур в искусственных органах и датчиках.
Исследователи под руководством Мишеля Милинковича из Женевского университета применили механистический подход для изучения формирования ринария. Профессор Милинкович отметил: «Примеры удивительных узоров в природе легко найти достаточно просто оглянуться вокруг! Именно это мы сделали в нашем исследовании, изучая носы собак, хорьков и коров с их уникальными многоугольными структурами».
Ринарий этих животных представляет собой выпуклые многоугольники, окруженные эпидермальными складками. У собак эта структура играет важную роль в обонянии.
Поскольку кончик носа постоянно увлажнен, он поглощает больше молекул из воздуха, которые затем попадают в носовую полость и далее в протоки верхнего неба для распознавания запахов. Также ринарий участвует в терморегуляции: например, грызуны используют его для охлаждения мозга.
Исследователи наблюдали за развитием ринария у эмбрионов с помощью оптогенетики. Они обнаружили, что многоугольная структура кожи носа формируется на ранних стадиях развития и во многом является самоорганизующейся, но зависит от механических ограничений, создаваемых сетью «жестких» кровеносных сосудов.
Используя двухчастную модель ринария с многослойной кожей на основании сосудистой сети, ученые провели 3D-моделирование и получили характерные многоугольные формы. Это позволило проследить процесс формирования ринария у собак и понять общие механизмы.
Сначала чрезмерный рост сосудистой основы вызывает выпячивание эпидермиса. Затем многоугольники растут вдоль сосудов, которые их ограничивают механически. Это уже не случайный процесс.
«Наши численные модели показали, что механические нагрузки от роста эпидермиса исходят от подлежащих кровеносных сосудов. Это своего рода опорные точки. Слои эпидермиса поднимаются вверх подобно куполам над жесткими колоннами», пояснил первый автор исследования Поль Дагене.
По мнению ученых, им удалось впервые описать принцип «механистической позиционной информации», который помогает объяснить формирование структур во время эмбрионального развития. Это открытие может способствовать пониманию образования других биологических структур в присутствии кровеносных сосудов.
