Geometrinen mekaniikka muovaa koiran nenää 🐶

Monien nisäkkäiden, kuten koiran, frettien ja lehmien, nenän iho on uurteinen ja muodostaa monia monikulmioita.

Geneven yliopiston (UNIGE) tutkimusryhmä on analysoinut tarkasti, miten nämä kuviot kehittyvät alkiossa käyttäen kuvantamistekniikoita ja tietokonesimulaatioita. He ovat havainneet, että erilaisten kudoskerrosten epätasainen kasvu aiheuttaa kupolimaisia muodostelmia, jotka nojaavat alla oleviin verisuoniin.


Tämä tutkimus kuvaa ensimmäistä kertaa tätä morfogeneesiprosessia, joka voisi selittää muiden biologisten rakenteiden muodostumista, jotka liittyvät verisuoniin. Tulokset on julkaistu Current Biology -lehdessä.

Elävä luonto esittää huomattavia muotoja, joista jotkut voidaan tunnistaa niiden värikuviosta tai kuvioista. Esimerkiksi seeprat ja gepardit tunnistetaan niiden karvassa esiintyvistä geometrisista toistoista, ja käpyjä puolestaan niiden säännöllisestä spiraalijärjestelmästään. Nämä kiehtovat kuviot syntyvät erilaisista morfogeneesiprosesseista, eli muotojen ilmestymisestä alkionkehityksen aikana.

Toisaalta kemiallinen itseorganisoitumismorfogeneesi mahdollistaa rakenteiden tai kuvioiden syntymisen kemiallisten reaktioiden kautta. Erityisen puhutteleva esimerkki on Turingin reaktio-diffuusio-malli, jossa kemialliset aineet diffundoituvat ja vuorovaikuttavat luodakseen suhteellisen säännöllisiä kuvioita, kuten raitoja tai laikkuja nisäkkäiden ja matelijoiden iholla.

Toisaalta tietyt muodot syntyvät mekaanisten rajoitusten seurauksena. Esimerkiksi aivojen poimut muodostuvat erilaisten kasvuprosessien kautta: kuori muodostaa poimuja, koska se kasvaa nopeammin kuin syvempi kerros, johon se on kiinnittynyt.

Elämän monimuotoisuus

Michel Milinkovitchin ryhmä, joka on professori UNIGE:n tiedekunnan genetiikan ja evoluution osastolla, tutkii kehitysprosessien mekanismien evoluutiota, joka johtaa lajien monimutkaisuuteen ja monimuotoisuuteen. "Esimerkkejä elämän kuvioiden kauneuden tutkimiseen on helppo löytää. Riittää, että katsoo ympärilleen! Viimeisin tutkimuksemme keskittyy erityisesti koiran nenään, jonka iho esittää ainutlaatuista monikulmiorakennetta", selittää Michel Milinkovitch.

Monien nisäkkäiden nenän iho, eli rhinarium, on tosiaan verkosto monikulmioita, jotka on muodostettu ihon uurteista. Nämä uurteet, jotka pitävät fysiologisia nesteitä, auttavat pitämään nenän kosteana ja helpottavat muun muassa hajumolekyylien ja feromonien keräämistä. Geneveläinen tiimi on tehnyt yhteistyötä Paris-Saclay-yliopiston, Alfortin kansallisen eläinlääketieteellisen koulun (EnvA) ja San Juan de Alicanten neurotieteen instituutin kanssa kerätäkseen koirien, lehmien ja frettien alkioiden rhinarium-näytteitä.

Nenien 3D-visualisointi

Nämä näytteet on tarkasteltu niin sanotulla "valoleimauksen fluoresenssimikroskopialla", joka mahdollistaa biologisten rakenteiden visualisoinnin kolmiulotteisesti.

Tutkijat ovat havainneet, että kolmen nisäkkäiden lajin kohdalla epidermiksen monikulmiorakenteet - ihon ulkokerros - ilmestyvät alkionkehityksen aikana ja ne päällekkäin järjestäytyvät jäykän verisuoniverkoston kanssa, joka sijaitsee dermiksessä - ihon syvemmässä kerroksessa.

He ovat myös havainneet, että epidermiksen solujen lisääntyminen on nopeampaa kuin dermiksen solujen.

Verisuonet, "arkkitehtoniset tukipilarit"

Näiden tietojen avulla matemaattinen malli on mahdollistanut tutkijoille tietokonesimulaatioiden tekemisen kudosten kasvusta.

Nämä simulaatiot ottavat huomioon dermiksen ja epidermiksen kasvunopeuden eron, niiden jäykkyyden ja erityisesti verisuonten läsnäolon dermiksessä. "Numeriset simulaatiomme osoittavat, että epidermiksen liiallisesta kasvusta syntyvä mekaaninen stressi keskittyy verisuonten paikkoihin, jotka muodostavat jäykkiä tukipisteitä.

Epidermiset kerrokset työntyvät sitten ulospäin muodostaen kupoleja - vähän kuin holvit, jotka kohoavat jäykkiä pilareita vastaan", selittää Paule Dagenais, post doc -tutkija UNIGE:n genetiikan ja evoluution osastolla ja tutkimuksen ensimmäinen kirjoittaja.

Nämä tulokset osoittavat, että rhinariumien tapauksessa epidermiksen monikulmiorakenteiden sijainti määräytyy dermiksen jäykkien verisuonten sijainnin mukaan, jotka aiheuttavat paikallisia rajoituksia epidermiksen kasvun aikana, mikä johtaa uurteiden ja kupolien muodostumiseen tietyissä kohdissa.

"Tämä on ensimmäinen kerta, kun tätä mekanismia, jota kutsumme 'mekaaniseksi paikalliseksi informaatioksi', kuvataan rakenteiden muodostumisen selittämiseksi alkionkehityksen aikana. Mutta emme epäile, että se auttaa selittämään muiden biologisten rakenteiden muodostumista, jotka liittyvät verisuonten läsnäoloon", päättää Michel Milinkovitch.