Výzkum ukazuje, že tyto plazy kombinují chemické a fyzikální mechanismy při vývoji své kůže. Jak může tento objev přispět k pokroku v regenerativní medicíně
Želvy se právě staly hrdinkami významného průlomu v evoluční biologii díky objevu dvojitého mechanismu tvorby šupin na hlavě.
Podle výzkumu provedeného Ženevskou univerzitou a publikovaného v časopise iScience tyto plazi kombinují chemické a fyzikální procesy během vývoje kůže, což je bezprecedentní vlastnost mezi obratlovci.
Tento objev nejenže mění chápání evoluce kožních struktur, ale otevírá také možné aplikace v oblastech, jako je biomimetika, materiálová architektura a regenerativní medicína.
Neuvěřitelná kombinace: chemie a mechanika v jednom organismu
Jak informovala Ženevská univerzita, výzkum vedl profesor Michel Milinkovic z Fakulty genetiky a evoluce a byl zaměřen na studium šupinatého vzoru na hlavě želv. V průběhu výzkumu bylo zjištěno, že na rozdíl od jiných obratlovců, u nichž se kožní struktury, jako jsou šupiny, peří nebo vlasy, tvoří výlučně z plakoidů řízených genetickými signály, u želv lze pozorovat dvojí mechanismus vývoje.
V periferních oblastech hlavy se šupiny řídí klasickým chemickým modelem, který se vyznačuje aktivací genů typických pro plakody. Tyto geny, včetně β-katenin a sonic hedgehog, regulují difúzní reakci signálních molekul a vedou k tvorbě mnohouhlých a symetrických šupin. Tento vzorec je rozšířen u jiných skupin obratlovců, jako jsou ptáci a savci.
Na druhé straně, v horní části hlavy tým zjistil, že tvorba šupin je způsobena zcela odlišným mechanismem: mechanickým ohýbáním kůže. Zde nebyly zjištěny žádné projevy obvyklých genetických markerů, ale jedná se o výsledek fyzického napětí způsobeného nerovnoměrným růstem dermálních vrstev a podkladové kosti, což vede k tvorbě nesprávných, asymetrických a velmi variabilních šupin u různých jedinců.
Prohlášení vědecké skupiny
Rory Cooper, postdoktorandský výzkumník a spoluautor studie, sdělil Ženevské univerzitě, že „toto mechanické ohýbání vysvětluje asymetrický tvar šupin v horní části hlavy“. Kromě toho Ebrahim Jahanbakhsh, odborník na počítačové modelování ze stejné skupiny, dodal, že tato variabilita je také pozorována mezi levou a pravou stranou stejného jedince, což potvrzuje myšlenku, že fyzická složka přispívá k vysoké míře individuální rozmanitosti.
Srovnání s krokodýly, ptáky a dinosaury
Ústřední část výzkumu spočívala v zařazení tohoto jevu do evolučního kontextu. Výsledky získané týmem Ženevské univerzity ukazují, že krokodýli, na rozdíl od jiných plazů, také tvoří šupiny na hlavě mechanickým skládáním, bez účasti placod. Tento objev, spolu s pozorováním u želv, naznačuje, že tento mechanismus je dědičná vlastnost, která pravděpodobně existovala u společného předka krokodýlů, želv a dinosaurů.
Tato vlastnost byla zřejmě ztracena u současných ptáků, kteří pocházejí z dinosaurů, ale vyvinuli peří pomocí čistě chemických mechanismů. Podle samotného Milinkoviče je „schopnost vytvářet šupinaté vzory pomocí mechanických sil prastarým rysem, který předcházel vzniku současných želv, krokodýlů a ptáků“. Tato hypotéza je založena na fylogenetické analýze, která zařazuje želvy do příbuzné skupiny archosaurů, kladu zahrnujícího krokodýly, ptáky a jejich vyhynulé předky.
K potvrzení svých pozorování použil tým řadu vysoce přesných technologií. Zvláštní pozornost byla věnována 3D mikroskopii s použitím světelného listu, která umožnila získat detailní snímky kožních a kostních struktur embryí želv v různých stadiích vývoje. Tato technika umožnila vidět, jak se nejprve objevují periferní chemické šupiny a poté se hřbetní oblasti stávají tužšími a začínají se fyzicky skládat.
Hybridizace in situ umožnila detekovat přítomnost (nebo nepřítomnost) markerových genů v různých oblastech, čímž potvrdila dvojí vzorec. Kromě toho tým vyvinul trojrozměrné počítačové modely na základě údajů získaných pomocí mikroskopie. Změnou parametrů, jako je tuhost tkání nebo rychlost růstu, dokázali simulovat šupinaté vzory různých druhů, včetně želvy sulky, želvy řecké a želvy krajské.
Tento kombinovaný přístup – vývojová biologie, genetická analýza, fyzikální modelování a počítačové simulace – umožnil prokázat, že i nepatrné mechanické změny mohou vysvětlit významné rozdíly ve šupinatých vzorech mezi druhy a jedinci. Studie Ženevské univerzity tak potvrzuje myšlenku, že jednoduché fyzikální procesy mohou vést k významné morfologické rozmanitosti.
Kromě toho lze tento integrativní model aplikovat na jiné biologické systémy, v nichž je morfogeneze ovlivněna interakcí fyzikálních sil a molekulárních signálů, což otevírá nové směry výzkumu v evoluční biologii a biologii vývoje.
Praktické využití ve vědě a technice
Kromě akademického zájmu otevírá tento objev konkrétní možnosti v aplikovaných oblastech. Pochopení toho, jak příroda vytváří složité struktury na základě základních fyzikálních principů, může inspirovat vývoj v oblasti biomimetiky, kde se biologické mechanismy napodobují za účelem vytvoření nových technologií.
V architektuře a designu materiálů lze znalost toho, jak se kůže za určitých podmínek skládá, využít k výrobě přizpůsobivých struktur nebo materiálů s integrovanými funkčními vzory. V oblasti regenerativní medicíny může studium těchto procesů sloužit jako základ pro vývoj strategií obnovy kožních tkání, vývoj umělé kůže nebo navrhování flexibilních implantátů s biomimetickými vlastnostmi.
Ženevská univerzita dospěla k závěru, že tato práce nejen rozšiřuje porozumění evoluci obratlovců, ale také nabízí koncepční a technologické nástroje pro řešení problémů ve vědě, medicíně a technologiích z nového úhlu pohledu inspirovaného evoluční biologií.
