Ученые раскрыли секрет рельефных носов у собак.

В мире животных можно наблюдать множество сложных узоров на коже, таких как полосы у зебр и пятна у леопардов. Эти паттерны закладываются еще на эмбриональной стадии развития.

Существует два подхода к их описанию. Первый — химический, который основан на реакционно-диффузных моделях Алана Тьюринга. Важную роль в этом играют сигнальные центры, регулирующие клеточный рост. Например, перья у птиц, волосы у млекопитающих и чешуя змей развиваются из плакод — анатомических структур, находящихся в голове позвоночных. 

Второй подход — механистический. Он предполагает, что механическое ограничение в растущей ткани приводит к образованию различных структур, таких как сетчатые, «мозговые» и складчатые. С этой точки зрения описаны многие складчатые структуры в биологии, включая мембраны лейкоцитов, стенки дыхательных путей и опухоли. Наблюдая за природой, биоинженеры смогли воспроизвести складчатые структуры в искусственных органах и датчиках.

Ученые под руководством Мишеля Милинковича из Женевского университета (Швейцария) применили механистический подход к морфогенезу, чтобы исследовать, как формируется ринарий.

«Найти примеры удивительных узоров в живой природе очень легко. Достаточно просто оглянуться вокруг! Именно это мы и сделали в нашей новой работе, изучая носы собак, хорьков и коров, покрытых единой сетью полигональных структур», — заявил профессор Милинкович в связи с выходом статьи в журнале Current Biology.

Ринарий этих животных представляет собой выступающие многоугольники, окруженные эпидермальными складками. У собак он играет важную роль, способствуя обонянию.

Поскольку кончик носа всегда увлажнен, он собирает больше молекул из воздуха, которые затем попадают в носовую расщелину, а оттуда — в протоки в верхнем небе для дальнейшего распознавания запаха. Кроме того, ринарий участвует в терморегуляции. Например, грызуны используют его для охлаждения мозга.

Исследователи наблюдали за развитием ринария у эмбрионов. Визуализировать этот процесс помогла оптогенетика. Выяснилось, что полигональная структура кожи носа формируется на очень ранней стадии, и этот процесс во многом является самоорганизующимся, но с учетом механических ограничителей в виде базовой сети «жестких» кровеносных сосудов. 

Используя двухчастную модель ринария, где многослойная кожа растет на подложке с сетью сосудов, исследователи провели 3D-моделирование и получили характерные полигональные структуры. В результате удалось проследить появление ринария у собаки и понять общую механику. 

Сначала чрезмерный рост базального сосудистого слоя заставляет эпидермис пучиться. Затем выступающие многоугольники растут вдоль сосудов, которые их механически ограничивают. Это уже не чисто случайный процесс. 

«Наше численное моделирование показало, что механические нагрузки, вызванные интенсивным ростом эпидермиса, исходят от подлежащих кровеносных сосудов. Это своего рода узловые точки. Слои эпидермиса поднимаются вверх, словно купола над жесткими колоннами», — объяснил первый автор научной работы Поль Дагене. 

По мнению исследователей, им впервые удалось описать принцип «механистической позиционной информации» для объяснения формирования структур во время эмбрионального развития. Это может помочь в дальнейшем объяснить образование других биологических структур в присутствии кровеносных сосудов.