Функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать)

Изгибы раковины моллюска объяснили быстрым ростом мантии

Derek Moulton et al. / PNAS, 2019

Сложная форма раковины двустворчатых моллюсков и плеченогих — результат механических взаимодействий частей мантии друг с другом и раковиной. Это с помощью математической модели роста раковины показали британские физики. Результаты работы модели затем подтвердили на данных, полученных на образцах раковин нескольких видов плеченогих и двустворчатых. Статья опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Тело двустворчатых моллюсков (Bivalvia) и плеченогих (Brachiopoda) защищено раковиной из карбоната кальция, которая формируется на протяжении всей их жизни. Иногда животным приходится открывать ее — например, чтобы поесть, но большую часть времени раковина плотно закрыта, что обеспечивает анатомический замок — комбинация зубчиков на одной створке и соответствующих им углублений на другой. Форма раковины и замка зависит от многих факторов — каждое повреждение или изменение условий среды в процессе роста может изменить их геометрию.

Главную роль в формировании раковины играет складка тела моллюска или плеченогого, которая называется мантией. Она состоит из двух частей, и каждая часть отвечает за выращивание своей створки. Края мантии выделяют органическое вещество, преимущественно состоящее из полисахаридов и гликопротеинов. Оно становится матрицей для выращивания неорганической части раковины — кристаллов карбоната кальция.

Органическая структура контролирует процесс роста, буквально указывает кристаллам, когда и где они должны сформироваться. Правая и левая часть раковины могут быть существенно асимметричны, однако их края всегда идеально прилегают друг к другу, создавая плотное соединение. Считается, что такую синхронизацию обеспечивает механизм распознавания молекулярных паттернов, который контролирует трехмерный морфогенез раковины, но трехмерных моделей, подтверждающих эту гипотезу, пока нет.

Дерек Моултон (Derek Moulton) из Оксфордского университета и его коллеги выдвинули другую гипотезу. По их мнению, форму анатомического замка определяют только механические ограничения внешней среды и взаимодействие частей мантии друг с другом и раковиной.

Основываясь на этом предположении, ученые построили компьютерную модель роста раковины. На трехмерной поверхности, моделирующей раковину, они задали поле скоростей роста: векторы скоростей расширения раковины и ее закручивания. С помощью модели они показали, что волнистый край створок образуется, когда мантия растет быстрее раковины — разница в скоростях роста приводит к механическим напряжениям, которые изгибают раковину.

После этого ученые провели синхронизацию концов створок и вывели два универсальных правила: совпадение плоскостей орнаментации (изгиба створок) раковин и совпадение фаз этих орнаментаций. Механическое взаимодействие частей мантии обеспечило выполнение обоих условий: таким образом, формирование узоров на поверхности створок и синхронизация их концов не требуют каких-либо нервных сигналов или генетических процессов, считают авторы.

Ученые подтвердили составленную модель, сравнив ее предсказания с параметрами образцов плеченогих и двустворчатых. Для этого они исследовали 59 различных раковин: внешний контур раковины аппроксимировали логарифмической спиралью, а линию замка — синусоидой. Основываясь на данных аппроксимаций, математики измерили степень асимметрии каждой раковины и сравнили реальные и предсказанные моделью амплитуды орнаментации. Коэффициент корреляции между экспериментальными и теоретическими данными был равен 0,67.

Авторы работы считают, что принципы работы их модели можно использовать и для других живых существ, части тела которых обладают свойством синхронизации линии соединения. Самый яркий пример — насекомое вида Issus coeleoptratus, в ногах которого есть конструкции, похожие на шестеренки.

Другая важная часть раковины двухстворчатых моллюсков — перламутровый защитный слой: два года назад биологам удалось синтезировать отвечающий за его формирование белок в кишечной палочке.

Олег Макаров

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.