Ewolucyjna pracownia kafelków. Jak życie wykształca geometryczne wzory
Podobne układy przypominające kafelki – złożone z płytek połączonych miękkimi spoinami – występują na całym drzewie życia, od pancerzy żółwi po skórki owoców tropikalnych. Naukowcy zgromadzili obecnie 100 przykładów tego wzorca występujących u zwierząt, roślin, mikroorganizmów i wirusów, które opisali na łamach czasopisma „PNAS Nexus”.
Współautor badania, biolog Mason Dean z City University of Hong Kong, po raz pierwszy zauważył regularny wzór kafelkowy na skanach mikrotomografii komputerowej szkieletu płaszczki. Zaskoczyło go odkrycie, że to, co wyglądało jak ziarnistość przypominająca piksele, było w rzeczywistości mozaiką maleńkich sześciokątów i pięciokątów stykających się krawędziami na całej powierzchni chrząstki.
Zoolożka Jana Ciecierska-Holmes z Humboldt-Universität zu Berlin, również współautorka pracy, zaczęła poszukiwać kolejnych przykładów takich struktur i ze zdumieniem dostrzegła skomplikowany układ zazębiających się płytek na zewnętrznej powłoce ziaren prosa. Wraz ze współpracownikami postanowiła ustalić, jak rozpowszechnione są tego rodzaju wzory.
Badacze skupili się na prawdziwych teselacjach, czyli układach, w których geometryczne płytki stanowią odrębne elementy konstrukcyjne oddzielone miększymi spoinami. Nie uwzględniali natomiast wzorów wyłącznie wizualnych czy pustych struktur, takich jak umaszczenie zwierząt lub plastry miodu. Aby porównać tego typu systemy u bardzo różnych organizmów, stworzyli schemat opisujący, z czego wykonane są naturalne „kafelki”, jaki mają kształt, w jaki sposób są połączone i jaką pełnią funkcję. Wyniki ujawniły uderzające podobieństwa konstrukcyjne między wieloma organizmami, które nie mają wspólnego pochodzenia ewolucyjnego.
Jak wykazali badacze, chitony wykształciły segmentowe płytki pancerza, podczas gdy rekiny rozwinęły mozaikową chrząstkę – dwa rodzaje struktur kafelkowych, które powstały niezależnie w odległych liniach ewolucyjnych. Z kolei mikroskopijne ameby budują architektonicznie podobne osłony ochronne z pozyskiwanych z otoczenia mineralnych płytek. Inne odmiany takich struktur tworzą soczewki oczu owadów lub korkowate wzory płytek u rośliny zwanej stopą słonia (bokarnea odgięta, Beaucarnea recurvata). W różnych królestwach organizmów ten sam podstawowy układ pomaga zwierzętom widzieć, poruszać się i chronić swoje ciała.
Powtarzalność tego rozwiązania odzwierciedla sposób, w jaki geometria i proces wzrostu organizmów skłaniają je do przyjmowania podobnej strategii. Na przykład wzory złożone głównie z sześciokątów, takie jak te występujące u rekinów i płaszczek, są klasycznym sposobem efektywnego pokrywania zakrzywionych powierzchni. Dean zwraca również uwagę, że granice między płytkami często pokrywają się z obszarami, w których podczas wzrostu dodawane są nowe komórki, co pozwala tkankom zachować funkcjonalność w miarę powiększania się organizmu. Ponadto połączenie twardych płytek i miększych spoin zapewnia równowagę między sztywnością a elastycznością – dodaje zoolog Stanislav Gorb z Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, który nie brał udziału w badaniu. „Zbyt sztywna struktura dobrze opiera się działającym siłom, ale słabo nadaje się do generowania ruchu” – mówi.
Autorzy mają nadzieję, że ich internetowy katalog stanie się żywym zasobem wiedzy, pomagającym badaczom rozpoznawać takie wzory w organizmach i strukturach, które analizują. „Kiedy zaczyna się zwracać na to uwagę, widzi się je wszędzie” – mówi Dean. Ciecierska-Holmes się z nim zgadza: „Człowiek niejako wkracza do świata teselacji”.