Российские ученые обнаружили глубинное родство человеческой кожи и кораллов

Российские ученые обнаружили, что покровы кораллов и кожи организованы по единому принципу

Что общего у человека с кораллом? Оказывается, нас роднит схожая система покровных тканей. У венца природы и морских беспозвоночных они построены по единым математическим законам. К такому выводу пришли ученые Южного федерального университета из Ростова-на-Дону и Университета Монпелье (Франция), сравнив клеточную структуру эпителия человеческих органов с расположением отдельных полипов в колониях кораллов. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Research.

тестовый баннер под заглавное изображение

Функция эпителиальных клеток кожи, образующих ее верхний слой, оболочку кишечника и других органов, заключается в защите этих органов от повреждений и транспортировке к ним полезных веществ. Эти клетки по форме напоминают многоугольники, прилегающие друг к другу так, чтобы максимально экономить энергию при взаимодействии.

Около 20 лет назад было доказано, что и у растений защитные клетки также имеют определенное число граней и такое же, как у человеческих клеток число клеток-соседей.

Но по поводу более высокоорганизованных живых структур, например кораллов, состоящих из тысяч мелких организмов — полипов, вопрос оставался открытым.

Как сообщили в РНФ, для того, чтобы лучше понять принцип организации кожных покровов человека и полипов у кораллов, также защищающих внутреннюю среду колонии, авторы работы сравнили их при помощи микрокомпьютерной томографии.

Исследователи получили тысячи снимков виртуальных сечений колоний кораллов из трех семейств — Faviidae (шарообразных кораллов, немного напоминающих человеческий мозг, за что их иногда называют мозговиками), каменистых рифообразующих Merulinidae и каменистых кораллов Карибского моря – Montastraeidae.

Все эти представители были выбраны за их почти плоскую или полусферическую поверхности, сечения которых удобно анализировать математическими методами.

Ученые рассмотрели расположения отдельных полипов в колониях, определили для каждого количество его ближайших соседей и площадь, которую он занимает, после чего математически обработали полученные результаты и построили наглядные карты разных колоний.

Такие же данные авторы получили и для эпителиальных клеток почки обезьяны и шейки матки человека.

Оказалось, что количество соседей у всех исследованных полипов кораллов практически идеально совпало с соседними клетками в эпителиях животных и человека. Так, большинство (43–51%) структурных элементов (клеток или полипов) имели по шесть соседей, 25–27% — по пять, и еще меньше — по четыре, семь, восемь или девять примыкающих клеток (или полипов).

Ученые даже разработали компьютерную модель, которая объяснила такое распределение. Согласно ей, и полипы, клетки выстраиваются таким образом наподобие частиц, которые либо просто отталкиваются друг от друга, если находятся слишком близко, либо перестают взаимодействовать, когда оказываются на слишком большом расстоянии.

Подобным образом, как выяснилось, ведут себя и клетки с полипами. При этом они занимают самое оптимальное положение друг относительно друга для максимальной эффективности системы. Вот, как пояснил это более доходчиво руководитель проекта, доктор физико-математических наук, профессор кафедры нанотехнологии ЮФУ Сергей Рошаль: «У нас есть два полипа, – оба хотят кушать, и им нужно для этого определенное расстояние друг от друга. В то же время им нужно оставаться в одной колонии. Они отталкиваются, но это расстояние должно быть определенного размера, чтобы образовывать покров».

Опираясь на эту идею, ученые смогли рассчитать наиболее энергетически выгодное (с минимальной энергией отталкивания) расположение элементов для плоской поверхности. Их модель на 90% воспроизвела распределение кораллов в реальных колониях и клеток в эпителиях.

Выяснилось, что, несмотря на колоссальную разницу в скорости деления (клетки делятся примерно раз в 20 часов, а полипы — 1–2 раза за год), размерах (полип в миллионы раз больше клетки), уровню биологической организации и условиях жизнедеятельности, эпителии и кораллы организованы по единому универсальному принципу. Благодаря ему система стремится находиться в состоянии наименьшего энергопотребления.

По словам Сергея Рошаля, опираясь на выявленные принципы, ученые смогут прогнозировать, как коралловые рифы, находящиеся под угрозой из-за изменения климата и загрязнения морей, будут в будущем реагировать на трансформацию окружающей среды. Французские коллеги наших ученых уже приступили к изучению образцов ископаемых кораллов, что тоже представляет очень большой интерес с точки зрения отпечатка изменения климата на их строении. Что касается клеток эпителия, знания о механизме его построения очень важны для понимания механизмов заживления ран и развития тканей.