Эмбрион капской змеи (Boaedon capensis), окрашенный для наглядной демонстрации расположения мышечных блоков в туловище. У эмбриона фиксируется правостороннее скручивание. Фото: Рауль Диас, Калифорнийский государственный университет Лос-Анджелеса.
Редакции новостного сайта удалось выяснить, что международный коллектив исследователей, координируемый канадскими специалистами, представил вероятное объяснение одному из самых интригующих феноменов эмбрионального развития змей — скручиванию зародышей в тугие спирали непосредственно перед появлением на свет. Судя по всему, такая динамика является эволюционным приспособлением, позволяющим рептилиям обладать исключительно вытянутым телом, что кардинально отличает их от остальных позвоночных.
Опубликованные в журнале Текущая биология результаты свидетельствуют: спиральная форма возникает по мере того, как туловище эмбриона стремительно удлиняется, а его кишечник выполняет роль якоря. Именно это жёсткое ограничение принуждает растущий организм изгибаться, закручиваясь в правую спираль.
Старший автор исследования и руководитель группы доктор Тецуто Мияшита, биолог-эволюционист из Канадского музея природы, провёл наглядную аналогию: «Это выглядело так, как если бы вы отрегулировали длину ремня, и более длинная, застегивающаяся боковая петля скрутилась».
Спиральные формы как загадка природы
Открытие проливает свет на то, каким образом в живой природе возникают протяжённые спиралевидные структуры, над расшифровкой которых учёные бьются до сих пор. Ведущий автор Александра Вебер, ныне аспирантка кафедры зоологии Университета Британской Колумбии, подчёркивает: «В спиралях есть доля загадки, и мы только начинаем понимать, как эти формы появляются у животных — например, в нашем петлевом кишечнике, раковинах улиток, а теперь и в этих красиво свернутых эмбрионах змей».
Мияшита, в свою очередь, добавил: «Эти головоломки пробуждают наше любопытство. В конце концов, спиральные формы в природе вдохновляли людей на самые разные творения: от макаронных ротини до парикмахерского шеста и даже образа “Вавилонской башни”».
Сам проект родился из необычных обстоятельств. Во время карантина, вызванного COVID в 2020 году, Мияшита, находясь дома, искал исследовательский вопрос, который его ученики могли бы решить без доступа в лаборатории или музейные коллекции. «Затем загорелась лампочка. Я унаследовал от своего научного руководителя увлечение асимметрией форм животных. Поэтому каждый раз, когда я видел в газетах изображения эмбрионов змей, я задавался вопросом: правша или левша они поворачиваются», — вспоминает учёный. Этот вопрос в итоге перерос в полноценное исследование.
Исследовано более 900 эмбрионов змей
Мияшита поручил Вебер, которая тогда училась в Карлтонском университете, а также двум студентам бакалавриата Оттавского университета, прочесать опубликованные научные работы и музейные базы данных в поисках фотографий змеиных зародышей. «Мы получили изображения более 900 эмбрионов, принадлежащих 39 видам змей и других чешуйчатых существ, лишённых конечностей. Это вполне репрезентативная выборка», — комментирует Вебер.
Анализ выявил чёткую закономерность: в течение первых нескольких недель после откладки яиц эмбрионы поворачивались исключительно вправо, то есть в правую сторону при взгляде от головы к хвостовому отделу. «На этих стадиях у эмбрионов отсутствуют мышцы, которые могли бы активно двигаться, поэтому некие внешние силы заставляют их скручиваться вправо, — поясняет Вебер. — Но мы не понимали, что именно служит источником этих сил».
Поскольку зародыши ещё не способны к произвольным перемещениям тела в нужном направлении, исследователи предположили, что поворот обусловлен физическими особенностями их развития.
КТ показывает скрытую структуру кишечника
Важную подсказку предоставил доктор Рауль Диас, сотрудник Калифорнийского государственного университета в Лос-Анджелесе. Применив компьютерную томографию для детального изучения эмбрионов, Диас обнаружил неожиданную анатомическую особенность.
«КТ-сканирование змеиного эмбриона, выполненное Раулем, выявило структуру, которую мы никогда прежде не встречали: столб из кишок, протянувшийся по спирали извивающегося тела, — рассказывает Мияшита. — От остального тела отделяется кишечник, окружённый завитками кровеносных сосудов желтка».
Это наблюдение позволило сформулировать искомый механизм. Эмбрионам змей приходится стремительно удлиняться, чтобы сформировать необычайно вытянутый корпус, однако кишечник не поспевает за таким темпом роста. Возникающее несоответствие создаёт механическое ограничение, которое и способствует закручиванию тела по спирали.
«Поэтому они отделяют медленно растущую кишку, которая теперь связывает удлиняющееся тело», — заключает Мияшита.
о сгибается и скручивается, извиваясь. Мияшита слова. «Эта сила скручивания направлена на то, чтобы эмбрионы росли на противоположной стороне желтка. Желток всегда находится слева от эмбриона, поэтому эмбрион всегда начинает скручиваться вправо».
Почему направление скручивания позже меняется
Эмбрионы не остаются в этом правостороннем положении на протяжении всего развития. По мере роста желток становится меньше, и у эмбрионов появляется больше возможностей для изменения внешнего вида. Их мышцы также замечают, что позволяет им начать двигаться самостоятельно.
"Некоторые расположены в правостороннем витке, но некоторые откатываются в сторону стороны," Вебер говорит. «Итак, половина этих почти вылупившихся эмбрионов — правши, а другая половина — левши».
Результаты показывают, что наиболее раннее направление скручивания обусловлено развитием анатомии и физического развития, а не преднамеренными мышечными движениями.
По мнению Мияшиты, это открытие также показывает, что простой вопрос наблюдения может привести к более массовому биологическому пониманию.
"Ученые уже давно интересуются, как и почему змеи развили свою странную форму тела. Чтобы ответить на этот вопрос, они, как правило, глубоко погружались в глубокие генетические исследования, изучая Hox-гены, энхансеры и т. д. д.». он говорит. «Это ключевое открытие. Но здесь, после карантина из-за COVID, мы раскрыли тайну змей с помощью поразительно простого события — просто пролистните альбом змеиных эмбрионов и запишите, в какую сторону они повернуты, и внимательно посмотрите на их анатомию».
Новая модель спиралей в биологии
Исследователи полагают, что та же самая общая модель может в конечном итоге помочь ученым учитывать другие спиралевидные структуры, обнаруженные в живых организмах.
«Сейчас мы открываем возможность дальнейшего развития этой модели для объяснения других спиральных форм в природе», — сказал он. он добавил.
Вебер соглашается: «Все происходило с любопытством посмотреть «ручные» ли змеи. Было интересно следить за этим и получить более глубокое понимание их эволюции».
Исследовательская группа состоит из ученых, студентов и профессоров Канадского музея природы, Университета Британской Колумбии, Университета Карлтона, Университета Оттавы, Университета штата Калифорния в Лос-Анджелесе и Университета Хельсинки.