Исследователи Южного федерального университета и Университета Монпелье (Франция) выяснили, что колонии кораллов и эпителии — подчиняются единым математическим законам. Это свидетельствует о том, что живая материя организована по универсальному принципу на самых разных уровнях — от клеток до целых популяций. Авторы также разработали простую физическую модель, которая с высокой точностью описывает структуру обоих вариантов живых систем. Благодаря этому модель может быть полезна в экологии для прогнозирования реакции коралловых рифов на изменение климата и в биомедицине для понимания механизмов заживления ран и развития тканей.
Эпителиальные ткани, формирующие верхний слой кожи, оболочки кишечника и других органов, защищают внутренние структуры от повреждений и транспортируют к ним питательные вещества. Уплощенные клетки эпителиев по форме напоминают многоугольники, плотно прилегающие друг к другу. При этом около 20 лет назад ученые доказали, что клетки в здоровых эпителиальных тканях различных видов животных и растений располагаются друг по отношению к другу по единому принципу — имеют определенное количество граней и такое же число клеток-соседей. Эта особенность связана с тем, что все эпителии выполняют схожие функции защиты и переноса веществ, а потому формируются по наиболее энергоэффективному и оптимальному принципу. Однако до сих пор было неизвестно, действует ли этот принцип для более сложных живых структур, таких как кораллы, состоящие из тысяч мелких организмов — полипов. Кораллы, подобно эпителиям, выполняют барьерную функцию, защищая внутреннюю среду колонии, и постоянно растут благодаря делению.
Ученые из Южного федерального университета (Ростов-на-Дону) и Университета Монпелье (Франция) сравнили клеточную структуру эпителия с расположением отдельных полипов в колониях кораллов.
С помощью микрокомпьютерной томографии авторы получили тысячи цифровых снимков виртуальных срезов колоний кораллов из трех семейств — Faviidae, Merulinidae и Montastraeidae. Эти представители были выбраны потому, что они образуют колонии с плоской или полусферической поверхностью: плоские сечения таких колоний удобно математически анализировать, не внося значительных искажений, неизбежных в случае подобного анализа более сложных объемных структур. Кроме того, полипы этих кораллов имеют четкие многоугольные контуры и растут в результате деления, как и эпителиальные ткани.
На основе полученных снимков исследователи изучили расположение отдельных полипов в колонии. Для каждого полипа они определили количество его ближайших соседей и занимаемую площадь, после чего математически обработали данные и построили наглядные карты разных колоний.
Такие же данные авторы получили и для эпителиев, расположение клеток в которых фотографировали с помощью камеры в конфокальном микроскопе — приборе, позволяющем получать контрастные изображения тканей с высоким пространственным разрешением. В экспериментах использовали культуры клеток почки обезьяны и шейки матки человека.
Оказалось, что распределение полипов по количеству соседей у всех исследованных кораллов практически идеально совпадает с клетками в эпителиях. Так, большинство (43–51%) структурных элементов (клеток или полипов) имели шесть соседей, 25–27% — пять, и еще меньше — четыре, семь, восемь или девять соседей. Ученые разработали компьютерную модель, которая объяснила такое распределение. Согласно ей, и клетки, и полипы ведут себя как частицы, которые отталкиваются друг от друга, если находятся слишком близко, и перестают взаимодействовать, когда оказываются на слишком большом расстоянии.
Основываясь на этой идее, модель рассчитала наиболее энергетически выгодное (с минимальной энергией отталкивания) расположение элементов на плоской поверхности. Модель с точностью около 90% воспроизводит распределение как кораллов в колонии, так и клеток в эпителиях. Это означает, что, несмотря на огромную разницу в скорости деления (клетки делятся примерно раз в 20 часов, а полипы — 1–2 раза в год), размерах (полип в миллионы раз больше клетки), уровне биологической организации и условиях жизни, эпителии и кораллы организованы по единому универсальному принципу, согласно которому система стремится к состоянию с наименьшей энергией. Этот принцип управляет многими физическими, химическими и даже некоторыми простыми биологическими процессами, например самосборкой вирусов.
«Оказалось, что очень разные по уровню организации биологические системы используют простой и универсальный физический принцип для построения своей структуры. Опираясь на эти принципы, мы сможем прогнозировать, как коралловые рифы, находящиеся под угрозой из-за изменения климата и загрязнения морей, будут реагировать на трансформацию окружающей среды. Климат меняется с течением времени. Сейчас наши французские коллеги с помощью компьютерной микротомографии изучают образцы ископаемых кораллов, и нам будет очень интересно применить нашу модель к этим объектам. Кроме того, полученные знания важны, чтобы понимать механизмы восстановления и развития тканей в рамках направления регенеративной медицины», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Сергей Рошаль, доктор физико-математических наук, профессор кафедры нанотехнологии ЮФУ.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Physical Review Research.
Пресс-релиз подготовлен совместно с Российской научным фондом (РНФ).
Центр общественных коммуникаций Южного федерального университета
