Как случайность и физика формируют нос собаки? Ответ найден с помощью 3D моделирования

Нос — орган, играющий важнейшую роль в жизни млекопитающих. Он не только позволяет нам дышать и различать запахи, но и, как оказалось, хранит в себе удивительные секреты морфогенеза. Речь идет о ринариях — голых участках кожи на носу многих животных, покрытых сетью бороздок, образующих причудливые многоугольные узоры. Долгое время эти узоры, называемые риноглифами, оставались загадкой для ученых. Новое исследование, опубликованное в журнале Current Biology, проливает свет на механизмы их формирования.

Ученые из Университета Женевы, используя передовые методы объемной визуализации и гистологического анализа, изучили развитие кожи ринария у коров, собак и хорьков. Результаты показали, что риноглифы не являются производными плакод — зачатков кожных придатков, как, например, волосы или перья. Их формирование — результат самоорганизующегося механического процесса, включающего в себя контролируемый рост и деформацию базального слоя эпидермиса.

Ключевую роль в этом процессе играет подкожная сеть кровеносных сосудов. Сосуды, обладая большей жесткостью по сравнению с окружающими тканями, выступают в роли своеобразного каркаса, вокруг которого формируются складки кожи. Этот феномен ученые назвали «механической позиционной информацией». Подобно тому, как химические сигналы направляют развитие органов и тканей, механические свойства сосудов определяют расположение кожных складок на ринарии.

Интересно, что формирование складок происходит иерархически. Сначала базальный слой эпидермиса образует впадины между сосудами, а затем верхний слой эпидермиса складывается, формируя выпуклые образования, окруженные бороздками, которые точно повторяют расположение подкожных сосудов.

Чтобы подтвердить свои наблюдения, ученые провели компьютерное моделирование роста многослойной кожи с учетом подкожной сосудистой сети. Результаты моделирования полностью соответствовали экспериментальным данным, подтверждая, что механические свойства тканей и сосудов играют определяющую роль в формировании риноглифов.

Кроме того, исследование показало, что узоры на ринарии генетически не детерминированы. Анализ риноглифов у генетически идентичных коров (клонов) показал такую же степень вариабельности, как и у неродственных животных. Это свидетельствует о том, что расположение сосудов, а следовательно, и кожных складок, определяется случайными факторами в процессе васкулогенеза — формирования сосудистой сети.

У коров с синдромом Элерса-Данлоса, наследственным заболеванием, характеризующимся гиперэластичностью кожи, наблюдаются нарушения в формировании риноглифов. Это подтверждает, что механические свойства кожи играют критическую роль в морфогенезе этих узоров.

Данное исследование не только раскрывает механизмы формирования риноглифов, но и вводит понятие механической позиционной информации, открывая новые горизонты в понимании морфогенеза и развития сложных биологических структур. Возможно, в будущем эти открытия найдут применение в биомиметике и тканевой инженерии, позволяя создавать искусственные органы и ткани с заданными свойствами.