Een studie onthult dat deze reptielen chemische en fysische mechanismen combineren bij de ontwikkeling van hun huid. Hoe deze ontdekking vooruitgang kan betekenen voor de regeneratieve geneeskunde
De studie van de huid van deze dieren stimuleert vooruitgang op het gebied van biomimetisch ontwerp, de ontwikkeling van slimme materialen en oplossingen voor regeneratieve toepassingen
De schildpadden hebben zojuist een belangrijke doorbraak bereikt op het gebied van de evolutiebiologie met de ontdekking van een dubbel mechanisme in de vorming van hun kopschubben.
Volgens een studie uitgevoerd door de Universiteit van Genève en gepubliceerd in het tijdschrift iScience, combineren deze reptielen chemische en fysische processen tijdens de ontwikkeling van hun huid, een kenmerk dat ongekend is bij gewervelde dieren.
Deze ontdekking herdefinieert niet alleen het begrip van de evolutie van huidstructuren, maar biedt ook mogelijke toepassingen op gebieden als biomimetica, materiaalarchitectuur en regeneratieve geneeskunde.
Een ongekende combinatie: chemie en mechanica in één organisme
Volgens de Universiteit van Genève werd het onderzoek geleid door professor Michel Milinkovitch van de afdeling Genetica en Evolutie en was het gericht op het begrijpen van het schubbenpatroon op de kop van schildpadden. Tijdens het onderzoek werd vastgesteld dat, in tegenstelling tot andere gewervelde dieren, waar huidstructuren zoals schubben, veren of haren uitsluitend ontstaan uit placodes die worden aangestuurd door genetische signalen, schildpadden een dualiteit in de ontwikkelingsmechanismen vertonen.
Een driedimensionale analyse laat belangrijke verschillen tussen huidgebieden zien, waardoor de morfologische diversiteit tussen soorten en hun gemeenschappelijke geschiedenis met krokodillen en vogels beter kan worden begrepe
In de randgebieden van de kop volgen de schubben het klassieke chemische patroon, dat wordt gekenmerkt door de activering van genen die typisch zijn voor placodes. Deze genen – waaronder β-catenine en sonic hedgehog – reguleren de reactie-diffusie van signaalmoleculen en leiden tot veelhoekige en symmetrische schubben. Dit patroon komt veel voor bij andere groepen gewervelde dieren, zoals vogels en zoogdieren.
Aan de bovenkant van het hoofd ontdekte het team echter dat de vorming van schubben het gevolg is van een heel ander mechanisme: het mechanisch plooien van de huid. Hier worden geen uitingen van de gebruikelijke genetische markers waargenomen, maar is het resultaat van fysieke spanningen die worden veroorzaakt door een ongelijke groei tussen de huidlagen en het onderliggende bot, wat leidt tot onregelmatige, asymmetrische en zeer variabele schubben tussen individuen.
Verklaringen van het wetenschappelijke team
Rory Cooper, postdoctoraal onderzoeker en medeauteur van de studie, verklaarde aan de Universiteit van Genève dat “deze mechanische plooiing de asymmetrische vormen van de schilfers op het bovenste deel van het hoofd verklaart”. Bovendien voegde Ebrahim Jahanbakhsh, expert in computermodellering van hetzelfde team, hieraan toe dat deze variabiliteit ook te zien is tussen de linker- en rechterkant van hetzelfde individu, wat het idee versterkt dat de fysieke component een hoge mate van individuele diversiteit introduceert.
Het Zwitserse onderzoek toont aan dat mechanische krachten en moleculaire signalen parallel werken en complexe, asymmetrische structuren in de kop van deze dieren veroorzaken
Vergelijking met krokodillen, vogels en dinosaurussen
Een centraal onderdeel van de studie was het plaatsen van het fenomeen in een evolutionair kader. De resultaten van het team van de Universiteit van Genève laten zien dat krokodillen, in tegenstelling tot andere reptielen, ook de schubben op hun kop vormen door middel van mechanische vouwing, zonder tussenkomst van placodes. Deze bevinding, in combinatie met wat bij schildpadden is waargenomen, suggereert dat dit mechanisme een voorouderlijk kenmerk is dat waarschijnlijk al aanwezig was in de gemeenschappelijke voorouder van krokodillen, schildpadden en dinosaurussen.
Dit kenmerk zou verloren zijn gegaan bij moderne vogels, die afstammen van dinosaurussen, maar hun veren via puur chemische mechanismen hebben ontwikkeld. Volgens Milinkovitch zelf is “het vermogen om schubachtige patronen te genereren door middel van mechanische krachten een oud kenmerk, dat al bestond vóór het verschijnen van de huidige schildpadden, krokodillen en vogels”. Deze hypothese is gebaseerd op fylogenomische analyses die schildpadden als een zustergroep van de arcosauriërs plaatsen, een clade die krokodillen, vogels en hun uitgestorven voorouders omvat.
Om hun observaties te valideren, maakte het team gebruik van een reeks zeer nauwkeurige technologieën. Opvallend was het gebruik van 3D-lichtmicroscopie, waarmee gedetailleerde beelden konden worden verkregen van de huid- en botstructuren van schildpadembryo’s in verschillende stadia van ontwikkeling. Deze techniek maakte het mogelijk om te zien hoe de chemische schubben aan de randen eerst verschijnen, terwijl de dorsale zones een toenemende stijfheid vertonen en zich fysiek beginnen te vouwen.
Door in situ hybridisatie kon de aanwezigheid (of afwezigheid) van markergenen in de verschillende regio’s worden gedetecteerd, wat het duale patroon bevestigde. Daarnaast ontwikkelde het team driedimensionale computermodellen op basis van de gegevens die met de microscoop waren verkregen. Door parameters zoals de stijfheid van de weefsels of de groeisnelheid te variëren, konden ze de schubbenpatronen van verschillende soorten simuleren, waaronder de sulcata-schildpad, de Griekse schildpad en de randschildpad.
De bovenkant van de kop van schildpadden is bedekt met schubben die zijn gevormd door mechanische spanningen, zonder tussenkomst van genen die verband houden met placode
Deze gecombineerde aanpak – ontwikkelingsbiologie, genetische analyse, fysische modellering en computersimulaties – toonde aan dat zelfs kleine mechanische variaties significante verschillen in schubpatronen tussen soorten en individuen kunnen verklaren. De studie van de Universiteit van Genève versterkt dus het idee dat eenvoudige fysische processen aanleiding kunnen geven tot een opmerkelijke morfologische diversiteit.
Bovendien kan dit integrerende model worden toegepast op andere biologische systemen, waarin morfogenese wordt beïnvloed door interacties tussen fysische krachten en moleculaire signalen, wat nieuwe onderzoekslijnen opent in de evolutie- en ontwikkelingsbiologie.
Praktische toepassingen in wetenschap en technologie
Naast het academische belang biedt deze ontdekking concrete mogelijkheden in toegepaste domeinen. Inzicht in hoe de natuur complexe structuren genereert op basis van fundamentele fysische principes kan leiden tot ontwikkelingen in de biomimetica, een domein waarin biologische mechanismen worden nagebootst om nieuwe technologieën te creëren.
In architectuur en materiaalontwerp kan kennis over hoe de huid onder bepaalde omstandigheden plooit, worden gebruikt om aanpasbare structuren of materialen met geïntegreerde functionele patronen te vervaardigen. Op het gebied van regeneratieve geneeskunde kan de studie van deze processen informatie opleveren voor strategieën voor huidweefselherstel, kunsthuidtechnologie of het ontwerp van flexibele implantaten met biomimetische eigenschappen.
De Universiteit van Genève concludeerde dat dit werk niet alleen het begrip van de evolutie van gewervelde dieren vergroot, maar ook conceptuele en technologische instrumenten biedt om uitdagingen in wetenschap, geneeskunde en technologie aan te pakken vanuit een nieuw perspectief, geïnspireerd door de evolutiebiologie.
