Математики и биологи объяснили, почему кишечник позвоночных всегда закручивается одинаково

Между зачатием и рождением длина кишечника человека увеличивается более чем на два метра, образуя петли внутри крошечной брюшной полости. У каждого вида позвоночных развивающийся кишечник всегда закручивается в одну и ту же форму, но причина этого долгое время оставалась неясной.

Исследователи из Гарварда, используя экспериментальные наблюдения, биологические и биофизические манипуляции, теорию и вычисления, показали, что форма кишечника определяется простым балансом сил. Это открытие может пролить свет на то, как кишечник эволюционировал, приспосабливаясь к изменениям в диете.

Междисциплинарное исследование, опубликованное в Nature, демонстрирует, что разница в скорости роста кишечной трубки и прилегающей к ней ткани брыжейки заставляет трубку скручиваться, независимо от ограничений пространства.

Ключевой механизм: разница в росте

• Кишечная трубка растет равномерно быстрее, чем брыжейка, к которой она прикреплена.
• В результате брыжейка растягивается, а кишечная трубка сжимается.
• Когда упругие силы достигают критической точки, кишечная трубка изгибается и образует петли.

Роль брыжейки

Хирургические манипуляции на эмбрионах кур in ovo показали:

• Удаление брыжейки на ранней стадии развития предотвращает образование петель.
• Удаление брыжейки на поздней стадии приводит к расслаблению петлевой структуры. Это подтвердило, что именно разница в скорости роста двух связанных тканей создает противоположные силы, необходимые для скручивания.

Количественное предсказание и эволюция

Исследователи построили физическую, математическую и вычислительную модель процесса. Анализ эмбрионов цыплят, перепелов, зебровых амадин и мышей показал, что форму кишечника на любой стадии можно количественно предсказать на основе геометрии, относительных скоростей роста и механических свойств тканей.

Это открытие предполагает, что изменение лишь относительной скорости роста может воспроизводимым образом изменить упаковку длинной трубки, указывая на механизм, позволивший кишечнику эволюционировать для адаптации к разному рациону питания.