Международная группа исследователей из России и Франции совершила значимый прорыв, выявив универсальный принцип, который объясняет структурную организацию живых тканей — от человеческой кожи до коралловых рифов. Авторы исследования полагают, что это открытие значительно улучшит наше понимание процессов заживления ран. Результаты научной работы были опубликованы в авторитетном журнале Physical Review Research и получили поддержку Российского научного фонда (РНФ).
Тайны эпителиальных тканей
Эпителиальные ткани, которые формируют внешние покровы тела, слизистые оболочки кишечника и других внутренних органов, состоят из плотно прилегающих друг к другу клеток, зачастую имеющих многоугольную форму. Ранее уже было установлено, что в здоровых эпителиальных слоях у разнообразных видов животных и растений клетки располагаются согласно единому энергоэффективному принципу, характеризующемуся определённым количеством граней и, соответственно, соседей.
Кораллы: высокоорганизованные структуры
Тем не менее, до недавнего времени оставалось неясным, применим ли этот фундаментальный принцип к более сложным и высокоорганизованным биологическим системам, таким как колонии кораллов, каждая из которых образована тысячами мельчайших организмов — полипов.
Ход исследования
Ученые из Южного федерального университета (Ростов-на-Дону) и Университета Монпелье (Франция) предприняли комплексное исследование, сравнив клеточную структуру эпителия с расположением индивидуальных полипов внутри коралловых колоний.
Для анализа клеток эпителия шейки матки человека и почки обезьяны использовался конфокальный микроскоп, позволяющий получать высококонтрастные изображения с высоким пространственным разрешением. В то же время, с помощью микрокомпьютерной томографии были получены тысячи цифровых снимков колоний кораллов из семейств Faviidae, Merulinidae и Montastraeidae. Для каждого полипа исследователи скрупулезно определяли число его ближайших соседей и занимаемую им площадь.
Удивительное совпадение
Результаты оказались поразительными: распределение полипов по количеству соседей во всех изученных кораллах практически идеально совпадало с распределением клеток в эпителиальных тканях. Так, большинство структурных элементов (от 43 до 51 процента) имели шесть соседей, тогда как от 25 до 27 процентов — пять. Меньшая доля приходилась на структуры с четырьмя, семью, восемью или девятью соседями.
Компьютерная модель объясняет феномен
Для объяснения этого универсального распределения учеными была разработана компьютерная модель. Она показывает, что как отдельные клетки, так и коралловые полипы ведут себя подобно частицам, которые проявляют силы отталкивания на близких расстояниях и перестают взаимодействовать, когда находятся далеко друг от друга. Этот простой физический принцип позволяет формировать оптимальную и энергоэффективную структуру.
Широкий спектр применений
Авторы исследования подчёркивают, что разработанная модель обладает значительным потенциалом для практического применения. Она может стать ключом к более глубокому пониманию механизмов развития тканей и процессов заживления ран, что является краеугольным камнем регенеративной медицины. Помимо этого, модель представляет ценность для экологической оценки состояния коралловых рифов, которые сегодня находятся под серьёзной угрозой из-за климатических изменений и загрязнения морей, а также найдёт применение в биомедицине.
“Очень разные по уровню организации биологические системы используют простой и универсальный физический принцип для построения своей структуры. Полученные знания важны, чтобы понимать механизмы восстановления и развития тканей в рамках направления регенеративной медицины”, — прокомментировал профессор кафедры нанотехнологии ЮФУ Сергей Рошаль, руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ.
Профессор Рошаль также отметил, что, опираясь на эти фундаментальные принципы, можно более точно прогнозировать, как коралловые рифы будут реагировать на изменения в окружающей среде. В настоящее время французские коллеги ученых ЮФУ продолжают углубленные исследования, используя компьютерную микротомографию для изучения образцов ископаемых кораллов, что позволит проследить эволюцию этих универсальных законов в живой природе.
