Наши представления о фундаментальных законах живой природы пополнились важным открытием. Международная группа ученых из России и Франции выявила универсальный принцип, управляющий структурой живых тканей — от человеческой кожи до коралловых рифов. Это прорывное исследование, результаты которого опубликованы в журнале Physical Review Research и поддержаны Российским научным фондом (РНФ), может значительно углубить понимание процессов заживления ран.
Известно, что эпителиальные ткани, формирующие покровы тела, слизистые оболочки кишечника и других органов, состоят из плотно расположенных многоугольных клеток. Ранее уже было установлено, что в здоровых эпителиях различных организмов эти клетки упорядочены согласно единому, энергетически эффективному принципу, определяющему количество их граней и соседей.
Однако перед исследователями стоял вопрос: распространяется ли этот принцип на более сложные, высокоорганизованные биологические системы, такие как колонии кораллов, образованные тысячами мелких полипов?
Чтобы ответить на этот вопрос, специалисты из Южного федерального университета (Ростов-на-Дону) и Университета Монпелье (Франция) предприняли сравнительный анализ. Они сопоставили клеточную структуру эпителия с пространственным расположением отдельных полипов в колониях кораллов.
Для изучения эпителия использовался конфокальный микроскоп, позволяющий получать высококонтрастные изображения клеток шейки матки человека и почки обезьяны. Колонии кораллов из семейств Faviidae, Merulinidae и Montastraeidae были проанализированы с помощью микрокомпьютерной томографии, которая предоставила тысячи цифровых срезов. Для каждого полипа точно определялось число ближайших соседей и занимаемая им площадь.
Результаты оказались поразительными: распределение полипов по числу соседей в исследованных кораллах практически идеально совпало с паттернами, наблюдаемыми в эпителиальных тканях. В частности, большинство структурных элементов (от 43 до 51 процента) имели ровно шесть соседей, около четверти (25–27 процентов) — пять, и лишь меньшая доля — четыре, семь, восемь или девять соседей.
Для объяснения этого феномена ученые разработали компьютерную модель. Она показала, что как отдельные клетки, так и полипы кораллов ведут себя подобно частицам, которые взаимно отталкиваются на близком расстоянии и перестают взаимодействовать, когда расстояние между ними увеличивается. Этот простой физический принцип лежит в основе их самоорганизации.
По мнению авторов исследования, новая модель имеет широкое применение. Она поможет не только лучше понять механизмы развития тканей и заживления ран в биомедицине, но и позволит проводить более точную экологическую оценку состояния коралловых рифов.
Профессор кафедры нанотехнологии ЮФУ Сергей Рошаль, руководитель проекта, подчеркнул значимость открытия: «Биологические системы, крайне разнообразные по уровню организации, используют один и тот же простой и универсальный физический принцип для формирования своей структуры. Эти знания критически важны для развития регенеративной медицины и понимания процессов восстановления и развития тканей.»
Он также отметил, что эти принципы дадут возможность прогнозировать, как коралловые рифы, которые находятся под серьезной угрозой из-за климатических изменений и загрязнения океанов, будут адаптироваться к изменяющейся среде. Французские коллеги уже активно работают над изучением образцов ископаемых кораллов с использованием компьютерной микротомографии, чтобы расширить временные рамки этого исследования.
Максим Соколов 
Дмитрий Верхов