W przeciwieństwie do gładkich łusek większości gadów, głowy krokodyli są pokryte nieregularnymi, trójwymiarowymi wzorami. Od lat intrygowało to badaczy, którzy nie potrafili wyjaśnić, dlaczego łuski na pysku i wokół szczęk tych zwierząt nie powstają w typowy sposób. „Krokodyle to piękne zwierzęta o złej reputacji” – powiedział w rozmowie z „Popular Science” Michel Milinkovitch, biolog fizyczny z Uniwersytetu Genewskiego i współautor badania. Jak wyjaśnił: „Są niezwykłe z wielu powodów. Jednym z nich jest to, że tworzą grupę siostrzaną, czyli są najbliższymi krewnymi – ptaków i dinozaurów”.
W innych częściach ciała krokodyli łuski powstają zgodnie z typowym wzorcem regulowanym genetycznie. „W każdym obszarze o wysokiej ekspresji genów komórki zostają ukierunkowane na wytworzenie naskórkowego tworu – włosa, pióra lub łuski, w zależności od gatunku” – wyjaśnił Milinkovitch. Jednak na głowach krokodyli nie pojawia się taki regularny schemat. Badacze odnotowali nieregularne, miejscami niepołączone krawędzie łusek i podejrzewali, że kluczową rolę odgrywa tu mechanika wzrostu skóry.
Mechanika zamiast genetyki
Aby zweryfikować hipotezę, zespół Milinkovitcha przez ponad 10 lat gromadził embriony krokodyli, co było logistycznie trudnym zadaniem. „Nasz model matematyczny pokazuje, że bardzo odmienne wzory łusek na głowach różnych gatunków krokodylowatych można łatwo uzyskać, minimalnie zmieniając właściwości mechaniczne skóry” – podkreślił Milinkovitch.
Badacze połączyli eksperymenty na zarodkach z komputerowymi symulacjami, budując trójwymiarowy model wzrostu skóry. Ustalili, że skóra na głowie krokodyli rośnie nieco szybciej niż podłoże kostne, a różnice w elastyczności i sztywności tkanek prowadzą do fizycznego fałdowania powierzchni. „Nie trzeba odwoływać się do wielu genów, aby wytłumaczyć ewolucję wzorów łusek na głowie krokodylowatych: drobne ewolucyjne zmiany w rozwoju i właściwościach mechanicznych skóry wyjaśniają wszystko” – stwierdził naukowiec.
Podczas badań zastosowano m.in. tzw. mikroskopię z oświetleniem bocznym. „U nowowyklutego krokodyla nilowego zdjęcia ujawniły drobne fałdy powstałe w wyniku samoorganizującego się, mechanicznego procesu kształtowania łusek na głowie” piszą autorzy w badaniu. Ta technika pozwoliła szczegółowo obejrzeć drobne nierówności powierzchni skóry i powiązać je z czysto fizycznym procesem fałdowania.
Kolagen kluczem do zrozumienia procesu
Kluczowe dla tego procesu okazało się białko kolagen, stanowiące podstawę wielu tkanek łącznych, w tym skóry. Zespół opracował nową metodę barwienia kolagenu, pozwalającą na analizę jego trójwymiarowej struktury. Technika ta okazała się niezwykle użyteczna także na innych polach i może już niedługo przynieść rezultaty bezpośrednio wpływające nawet na ludzkie zdrowie.
„Nasza technika jest obecnie przejmowana przez wielu badaczy, ponieważ trójwymiarowa architektura kolagenu jest niezwykle istotna dla zrozumienia inwazyjności nowotworów, a także dla zrozumienia procesu starzenia się skóry” – zaznaczył Milinkovitch.
Zrozumienie mechanizmów formowania się łusek u krokodyli może pomóc lepiej pojąć rolę czynników mechanicznych w rozwoju embrionalnym innych zwierząt. Biolodzy i fizycy coraz częściej zwracają uwagę na wpływ sił fizycznych na tworzenie się struktur biologicznych. „Pozostańmy ciekawi, rozejrzyjmy się wokół – jest tak wiele aspektów świata żywego, których nie rozumiemy” – zachęcił Milinkovitch.
