Tutkimus osoittaa, että nämä matelijat yhdistävät kemiallisia ja fysikaalisia mekanismeja ihonsa kehityksessä. Miten tämä löytö voi edistää regeneratiivisen lääketieteen kehitystä
Näiden eläinten ihon tutkiminen on edistänyt biomimeettisen suunnittelun, älykkäiden materiaalien ja regeneratiivisten sovellusten kehitystä.
Sisällysluettelo
Kilpikonnat ovat juuri tehneet merkittävän läpimurron evoluutiobiologiassa paljastamalla kaksoismekanismin, jolla niiden pään suomut muodostuvat.
Genevan yliopiston tekemän ja iScience -lehdessä julkaistun tutkimuksen mukaan nämä matelijat yhdistävät kemiallisia ja fysikaalisia prosesseja ihonsa kehityksessä, mikä on ennennäkemätön ominaisuus selkärankaisilla.
Tämä löytö ei vain muuta käsitystämme ihon rakenteiden evoluutiosta, vaan tarjoaa myös potentiaalisia sovelluksia esimerkiksi biomimikriassa, materiaalitekniikassa ja regeneratiivisessa lääketieteessä.
Ainutlaatuinen yhdistelmä: kemia ja mekaniikka samassa organismissa
Geneven yliopiston mukaan tutkimus tehtiin professori Michel Milinkovicin johdolla genetiikan ja evoluution laitoksella, ja se keskittyi kilpikonnien pään suomukuvion tutkimiseen. Tutkimuksessa havaittiin, että toisin kuin muilla selkärankaisilla, joiden ihon rakenteet, kuten suomut, höyhenet tai karvat, syntyvät yksinomaan plakodeista, joita ohjaavat geneettiset signaalit, kilpikonnat osoittavat kaksinaisuutta kehitysmekanismeissaan .
Pään reuna-alueilla suomut noudattavat klassista kemiallista mallia, jolle on ominaista plakodeille tyypillisten geenien aktivoituminen. Nämä geenit, mukaan lukien β-kateeni ja sonic hedgehog , säätelevät signaalimolekyylien diffuusio-reaktiota ja johtavat polygonaalisten ja symmetristen suomien muodostumiseen. Tämä malli on yleinen myös muissa selkärankaisten ryhmissä, kuten linnuissa ja nisäkkäissä.
Toisaalta pään päällä tutkimusryhmä havaitsi, että suomujen muodostuminen reagoi täysin eri mekanismiin: mekaaniseen taittumiseen. Tässä ei havaita tavallisten geneettisten merkkien ilmentymistä, vaan se on pikemminkin seurausta fyysisistä jännitteistä, jotka johtuvat epätasaisesta kasvusta dermaalisten kerrosten ja alla olevan luun välillä, mikä johtaa epäsäännöllisten, epäsymmetristen ja hyvin erilaisten suomien muodostumiseen eri ihmisillä.
Tutkimusryhmän lausunto
Rory Cooper , tutkija ja tutkimuksen toinen kirjoittaja, kertoi Geneven yliopistolle, että ”tämä mekaaninen taittuminen selittää hiusrajan epäsymmetrisen muodon”. Lisäksi Ebrahim Jahanbakhsh , laskennallisen mallinnuksen asiantuntija samassa ryhmässä, lisäsi, että tämä vaihtelu havaitaan myös saman henkilön vasemmalla ja oikealla puolella, mikä vahvistaa ajatuksen, että fyysinen komponentti vaikuttaa suuresti yksilölliseen vaihteluun.
Vertailu Kilpikonnat, lintuihin ja dinosauruksiin
Tutkimuksen keskeisenä osana oli sijoittaa ilmiö evoluutiokehitykseen. Geneven yliopiston tutkimusryhmän tulokset osoittavat, että krokotiilit, toisin kuin muut matelijat, muodostavat myös päänsä suomut mekaanisen taittumisen avulla ilman plackojen vaikutusta. Tämä havainto yhdessä kilpikonnien kanssa viittaa siihen, että kyseessä on perinnöllinen piirre, joka todennäköisesti oli olemassa krokotiilien, kilpikonnien ja dinosaurusten yhteisessä esi-isässä.
Tämä piirre olisi kadonnut nykyisiltä linnuilta, jotka ovat polveutuneet dinosauruksista, mutta kehittäneet höyhenensä puhtaasti kemiallisten mekanismien avulla. Milinkovicin mukaan ”kyky tuottaa suomumaisia kuvioita mekaanisten voimien avulla on ikivanha piirre, joka edeltää nykyisten kilpikonnien, krokotiilien ja lintujen ilmaantumista”. Tämä hypoteesi perustuu fylogenomiseen analyysiin, joka sijoittaa kilpikonnat arkosaurien sisaryhmään, kladiin, joka sisältää krokotiilit, linnut ja niiden sukupuuttoon kuolleet esi-isät.
Vahvistaakseen havaintojaan tiimi käytti useita tarkkoja tekniikoita. He korostivat 3D-valomikroskopian käyttöä, joka mahdollisti yksityiskohtaisten kuvien saamisen kilpikonnien alkioiden ihon ja luuston rakenteista eri kehitysvaiheissa. Tämän tekniikan avulla voitiin visualisoida, kuinka ensin ilmestyvät perifeeriset kemialliset suomut, kun taas selkäpuolen alueet osoittavat lisääntynyttä jäykkyyttä ja alkavat fyysisesti muodostua.
In situ -hybridisaatio antoi heille mahdollisuuden havaita merkkigeenien läsnäolon (tai puuttumisen) eri alueilla, mikä vahvisti kaksoiskuvion. Lisäksi tiimi kehitti kolmiulotteisia laskennallisia malleja mikroskopiatietojen perusteella. Muuttamalla parametreja, kuten kudosten jäykkyyttä ja kasvunopeutta, he pystyivät mallintamaan eri lajien suomukuvioita, mukaan lukien uurteisen kilpikonnan , kreikkalaisen kilpikonnan ja reunakilpikonnan .
Tämä yhdistetty lähestymistapa – kehitysbiologia, geneettinen analyysi, fysikaalinen mallinnus ja laskennallinen mallinnus – osoitti, että jopa pienet mekaaniset muutokset voivat selittää merkittäviä eroja suomukuvioissa lajien ja yksilöiden välillä. Näin ollen Geneven yliopiston tutkimus vahvistaa ajatuksen, että yksinkertaiset fysikaaliset prosessit voivat johtaa merkittävään morfologiseen monimuotoisuuteen.
Lisäksi tätä integroivaa mallia voidaan soveltaa muihin biologisiin järjestelmiin, joissa morfogeneesiin vaikuttavat fyysisten voimien ja molekyylisten signaalien vuorovaikutukset, mikä avaa uusia tutkimussuuntia evoluutio- ja kehitysbiologiassa.
Käytännön sovellukset tieteessä ja tekniikassa
Akateemisen kiinnostuksen lisäksi tämä löytö tarjoaa konkreettisia mahdollisuuksia sovellusalueilla. Ymmärrys siitä, miten luonto tuottaa monimutkaisia rakenteita perusfysiikan periaatteista, voi inspiroida kehitystä biomimikry -alalla, jossa biologisia mekanismeja jäljitetään uusien teknologioiden luomiseksi.
Arkkitehtuurissa ja materiaalisuunnittelussa ymmärrys siitä, miten ihon taitteet tietyissä olosuhteissa voidaan käyttää mukautuvien rakenteiden tai materiaalien valmistukseen, joissa on integroituja toiminnallisia malleja. Regeneroivassa lääketieteessä näiden prosessien tutkiminen voi antaa tietoa ihokudoksen palauttamisstrategioista, keinotekoisesta ihon valmistuksesta tai joustavien implanttien kehittämisestä, joilla on biomimeettisiä ominaisuuksia.
Geneven yliopisto on päätynyt siihen tulokseen, että tämä työ ei ainoastaan laajenna ymmärrystämme selkärankaisten evoluutiosta, vaan tarjoaa myös käsitteellisiä ja teknologisia työkaluja tieteen, lääketieteen ja teknologian ongelmien ratkaisemiseksi uudesta, evoluutiobiologiasta inspiroidusta näkökulmasta.
