Скручивание тела растущей улитки свернуло тесную раковину в спираль

Спиральная форма раковины моллюсков оказалась результатом скручивания их тела во время роста. В статье, опубликованной в Proceedings of the National Academy of Sciences, физики представили механическую модель растущей раковины головоногих и брюхоногих моллюсков, согласно которой раковина и тело растут согласованно, подстраиваясь под форму и механическое состояние друг друга. Это модель объясняет, из-за чего живых и вымерших моллюсков раковины принимают довольно замысловатые формы и почему тело улитки остается спиральным, даже если его вытащить из раковины.

У некоторых видов двусторонне-симметричных животных билатеральная симметрия, которая дала имя всему таксону, нарушается. Например, у иглокожих из билатерально-симметричных личинок вырастают радиально-симметричные взрослые животные. А у некоторых моллюсков сначала в асимметричную спираль закручивается раковина, а из-за этого симметрию теряет и внутреннее строение организма. При этом у разных моллюсков и спирали их раковин заметно отличаются: у большинства брюхоногих раковина закручена в коническую винтовую спираль, а, например, у наутилусов спираль раковины, наоборот, не выходит из плоскости. У вымерших аммонитов спиральные раковины вообще были завернуты очень странными петлями. Что вынудило всех этих животных стать хиральными и почему у разных моллюсков спиральные раковины так сильно отличаются по форме, — ученые до сих пор до конца не понимают.

Свое объяснение разнообразия спиральных раковин предложили французские и британские биологи под руководством Режиса Шира (Régis Chirat) из Лионского университета. Ученые построили математическую модель роста раковины, которая связывает ее форму с механическим напряжением, возникающим во время роста в теле моллюска. Чтобы вырастить раковину, моллюск сначала выделяет на поверхность тела белок конхиолин, а затем в пространстве между наружным белковым слоем и мантийным эпителием кристаллизуется неорганическая основа раковины. При этом растущее тело моллюска должно непрерывно подстраиваться под скорость секреции и кристаллизации раковины, вращаясь и скручиваясь. И делать это моллюску приходится так, чтобы сразу свести возможные неудобства к минимуму: задняя часть все еще растущего тела может жить в своей части раковины несколько лет.

Ученые предположили, что именно эти скручивания тела моллюска меняют направление секреции и, соответственно, форму раковины. Предложенная авторами модель описывает этот процесс как рост двух упругих стержней: один на спине моллюска, а другой — на брюхе. При этом скорость роста раковины на спине выше, чем на брюхе — это вынуждает раковину скручиваться в спираль.

Если скорость секреции совпадает со скоростью роста тела, то раковина сворачивается в плоскую логарифмическую спираль. Но если между этими двумя скоростями есть какое-то несоответствие, то в теле моллюска возникают механические напряжения, под которые животному приходится подстраиваться. В математической модели это вынуждает стержни скручиваться: соединяющая их ось поворачивается, а растущая спираль раковины выходит из плоскости.

Ориентируясь на эту модель, ученые выделили три режима роста раковины: если перекручивания спинной и брюшной осей не происходит, то получается плоская логарифмическая спираль, если перекручивание идет с постоянной скоростью, то вырастает раковина в форме конусовидной геликоидной спирали, а если перекручивание происходит в колебательном режиме и меняет свое направление, то траектория роста начинает вилять и на спирали возникают замысловатые петли. Такое может происходить при неравномерном росте мускулатуры.

В зависимости от соотношения различных механических параметров (в частности жесткости на изгиб, растяжение и скручивание) такая модель может приводить к совершенно различным видам спиралей: плоские и винтовые спирали, с петлями и без, с наползающими друг на друга витками или разделенными. Все эти варианты можно разместить на фазовых диаграммах и практически все такие раковины можно найти у тех или иных моллюсков — живых или ископаемых. Так, у вымерших аммонитов Eubostrychoceras japonicum — геликоидная спираль с разделенными витками, а у другого вида, Nipponites mirabilis, — максимально извилистая раковина. У улиток-катушек (Planorbidae) — спираль плоская, а у виноградной улитки (Helix pomatia) или пресноводных улиток Bulinus — сросшаяся геликоидная спираль. У других видов ископаемых аммонитов: Didymoceras nebrascense и Nostoceras malagasyense — соотношение механических параметров менялось в процессе развития, поэтом их раковины состоят из трех участков: плоской спирали, небольшого меандра и геликоидного хвоста.

Ученые отмечают, что предложенная модель объясняет странные формы некоторых спиральных раковин, например улиток-катушек, — в отличие от моделей, в которых раковина растет независимо от тела. Кроме того, согласованный рост тела моллюска и его раковины объясняет, в частности, почему улитка, если достать ее из раковины, все равно сохраняет спиральную форму. Авторы работы надеются, что эта модель окажется полезной и для классификации спорных вымерших групп раковинных моллюсков, в частности Bellerophontida.  

В прошлом году та же группа ученых построила математическую модель для роста раковин двустворчатых моллюсков. В основе этой модели — тоже механическое напряжение, которое возникает в теле моллюска, если мантия и раковина растут с разной скоростью. Из-за этого изгибы на противоположных створках раковины синхронизируются в процессе роста. А вот вытянутость раковин мидий, по мнению ученых, определяется в первую очередь внешними условиями: температурой и соленостью воды, а также количеством доступной пищи.

Александр Дубов