Лучше что-то, чем ничего: регенеративные способности миссисипского аллигатора

Пишет Дмитрий Кикот: Будучи несмышленым ребенком, я поймал ящерицу за хвост и, желая похвастаться своими охотничьими навыками, решил показать ее маме. Ящерица в этот день не была готова к расширению своего круга общения, а потому отбросила хвост и скрылась в траве. И вот стою я посреди огорода с извивающимся хвостом без его владелицы в руках, не понимая, что вообще произошло. Это яркое событие из детства является ярким примером адаптивного поведения и репаративной регенерации. Человек также обладает регенерацией, но не репаративной, а физиологической (наружный слой кожи, ногти, волосы и т.д.). А вот мастерами регенерации считаются саламандры, способные отрастить любую утраченную конечность. Однако они далеко не единственные обладатели этого уникального дара. К примеру, гидры, род пресноводных сидячих кишечнополостных, способны практически полностью восстановится даже после рассечения на части.

Группа ученых из университета штата Аризона (США) выяснили, что миссисипский аллигатор также обладает репаративной регенерацией. Как протекает процесс восстановления у аллигаторов, насколько их регенерация отличается от других организмов, и есть ли отличия между изначальной конечностью и регенерированной? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования

Регенерация по сути своей достаточно распространенная способность. Однако ее сила и функциональность различается между видами, семействами и родами живых организмов. К примеру, нептичьи рептилии это единственная группа, которая регенерирует сложные многотканевые структуры (например, хвост), тогда как млекопитающие и птицы демонстрируют очень ограниченную способность к регенерации во взрослом возрасте (эмбриональная регенерация в данном труде не рассматривалась).

В отличие от позвоночных с регенерацией большинство млекопитающих после травмы испытывают длительный процесс заживления и восстановления поврежденных тканей. Этот процесс приводит к образованию рубцовой ткани, которая имеет пониженную функциональность и чувствительность, а также повышенный риск инфицирования. Другими словами, процесс заживления раны на теле человека нельзя назвать регенерацией.

Чтобы понять механизм регенерации, необходимо сначала понять ее суть, т.е. зачем она нужна. На данный момент основной причиной появления регенерации у некоторых животных является влияние хищников. Среди многих видов костных рыб, бесхвостых головастиков, морских амфибий и нептичьих рептилий распространено сублетальное хищничество, когда добыча имеет некий шанс избежать смерти, хоть и получает серьезные повреждения. В результате некоторые виды саламандр и ящериц развили способность к автотомии* хвоста в качестве тактики уклонения от хищников.

Автотомия* — способность животного отбрасывать какую-либо конечность по собственному желанию в случае опасности или ввиду какого-то внешнего раздражителя.

При этом отбрасывание хвоста не является самым экстремальным примером автотомии. Иглистые мыши (Acomys) буквально из кожи вон лезут в случае опасности. Это удивительные грызуны способны полностью регенерировать кожу (включая волосяные фолликулы, дерму и т.д.) и даже уши (т.е. хрящевую ткань).

Подробности об автотомии иглистых мышей можно узнать из работы ученых университета Кентукки.

Регенерировать или нет это крайне важный вопрос для многих видов в ходе эволюции, ибо это умение имеет как преимущества, так и недостатки. С одной стороны, есть шанс избежать смерти в зубах хищника. С другой, потеря конечности ввиду автотомии может сильно повлиять на мобильность, сохранение энергии и даже на половой отбор в период размножения. Следовательно, вид должен для себя определить, что ему важнее в такой ситуации.

Потеря или изначальное отсутствие регенерации у многих млекопитающих ученые связывают с развитием специализированной иммунной системы, усилением регуляции клеточного цикла или развитием эндотермии. Такие процессы, как снижение реакции на повреждение, формирование специализированного эпидермиса в области раны, ремоделирование внеклеточного матрикса, реиннервация и реактивация консервативных путей развития, являются общими для позвоночных, способных к регенерации. Это указывает на наличие общего стержня регенеративной способности разных видов. С другой стороны, регенеративная способность придатков позвоночных сильно различается и может рассматриваться как спектр с разными механизмами активации, функциональными особенностями и степенью регенерации.

Изображение №1: распределение регенеративных способностей у разных животных.

Например, рыбки из рода данио (Danio), аксолотли и головастики лягушек Xenopus способны восстанавливать структуры, почти идентичные исходным придаткам. Взрослые лягушки Xenopus демонстрируют неидентичную регенерацию. А подавляющее большинство млекопитающих и вовсе не заменяют утраченные конечности.

На регенеративную способность животного также влияют и физические характеристики особи: размер тела, возраст, стадия жизненного цикла и т.д. Данных по этим аспектам крайне мало. Пока известно, что увеличение размера тела может замедлить заживление конечностей тритона, а разные стадии жизненного цикла влияют на регенерацию у лягушек Xenopus.

Вернемся к нашим баранам, точнее к рептилиям. Учитывая их видовое разнообразие, представители этого класса обитают в самых разных уголках планеты, ввиду чего имеется ряд отличий в физиологических, поведенческих и морфологических характеристиках.

Если рассматривать хвост, то вполне очевидно, что эта конечность имеет огромное значение для передвижения, сохранения энергии и полового отбора. Место обитания того или иного вида в ходе эволюции сильно повлияло на структуру хвоста и, следовательно, на его регенеративные способности.

Рептилии представлены тремя существующими инфра-классами: Neodiapsida, который включает черепах; Archosauromorpha (крокодилы и птицы); Lepidosauromorpha, т.е. чешуйчатые (ящерицы, змеи).

Отрастить новую конечность для саламандры не так и сложно, но это занимает немало времени.

Ящерицы, как мы знаем, способны отбрасывать хвост и отращивать новый, который анатомически отличается от оригинала. Основной эндоскелет регенерированного хвоста ящерицы состоит из несегментированной хрящевой трубки, которая охватывает эпендиму и центральные нисходящие аксоны. Во время регенерации хвоста новые нейроны не образуются, вместо этого отрастающие аксоны происходят из нейронов, расположенных в спинном мозге и ганглиях задних корешков, которые берут начало в «обрубке» хвоста. Кроме того, регенерированные скелетные мышцы образуют продольные волокна, которые радиально расположены вокруг хрящевой трубки и не имеют организации.

Змеи же не заменяют утраченный из-за травмы хвост, а вот туатары (род пресмыкающихся Sphenodon, обитающий исключительно в Новой Зеландии) отращивают хрящевой эндоскелет (как и ящерицы), но скелетные мышцы минимальны или отсутствуют. Большая часть отросшего хвоста туатары состоит из плотной соединительной ткани, напоминающей фиброзную.

Из этих примеров становится очевидным, регенерация хвоста не является уникальной способностью для какого-либо вида, а сам процесс восстановления утраченной конечности отличается.

Содержать аллигатора в домашних условиях — не самая лучшая идея, и вот почему.

Вполне очевидно, что возникли предположения о том, что современные крокодиловые (аллигаторы, кайманы, крокодилы и гавиалы) также обладают регенеративными способностями. Исследования в этой области проводились довольно поверхностно, потому доселе не было полноценного описания процесса. Посему в данном труде ученые решили детально рассмотреть, как именно крокодиловые в лице миссисипского аллигатора способны отращивать утраченный хвост.

Результаты исследования

Используя анатомические и гистологические данные, ученые провели сравнительный анализ тканей исходного и отросшего сегментов хвоста, расположенных вблизи места соединения у миссисипского аллигатора.

Изображение №2

Исходные сегменты хвоста были покрыты неперекрывающимися прямоугольными чешуйками и спинными щитками, расположенными в поперечные ряды (2a-2c). Спинная чешуя была пятнистой и более темной по сравнению с брюшной (2a-2f). Среди проанализированных образцов только у образца A01 были обнаружены парные спинные щитки, что указывает на то, что A01 получил более проксимальное (ближе к центру) повреждение (2d).

Рентгенограммы показали, что каждый проксимальный хвостовой позвонок соответствовал одному ряду чешуек и имел удлиненные шипы (дорсальные отростки, являющиеся частью гребня) и гипапофизы (отростки позвонка на вентральной стороне, т.е. снизу) (2g-2i).

Хвостовой позвонок, расположенный непосредственно проксимальнее предполагаемого места повреждения, лишен этих спинных отростков и имеет костные трещины, что указывает на результат его ремоделирования (2g-2i).

В качестве контрольного образца был проанализирован хвост молодой самки, на котором не было повреждений. Осевой скелет аллигаторов состоит из 65 позвонков, из которых 38–41 являются хвостовыми (сокращенно Са позвонки). В образце А00 было идентифицировано всего 40 хвостовых позвонков.

Хвостовые позвонки 1-14 имеют поперечные отростки, что согласуется с предыдущими анатомическими исследованиями. Позвоночный столб был вытянут по всей длине хвоста, а позвоночные отростки постепенно сужались к дистальному концу. Кроме того, каждый хвостовой позвонок соответствовал одному сегменту чешуи с парными спинными щитками, оканчивающимися на сегменте 18.

Поскольку только A01 демонстрирует парные спинные щитки в исходном сегменте хвоста (2d), ученые предположили, что эта особь потеряла приблизительно половину постериального (так сказать, заднего) хвоста. Образцы A02 и A03 показали только одиночные дорсальные щитки в исходном сегменте хвоста. Это указывает на то, что хвост был усечен дистальнее сегмента 18 (2e и 2f). Подсчет рядов чешуек позволил уточнить положение повреждения у A02 и A03: усечение было около позвонков 24 и 20 соответственно.

Учитывая, что позвонки крокодилов не имеют никаких специализированных для аутотомии участков, потеря части хвоста вызвала либо травмой, либо врожденным дефектом, а не отбрасыванием, как у ящериц.

Изображение №3

На следующем этапе исследовании внимание было уделено анатомии и гистологии скелетных мышц исходного хвоста.

Вокруг позвоночного столба расположен большой объем мышц, разделенный пополам толстой горизонтальной перегородкой на отдельные эпаксиальные (расположенные на дорсальной стороне оси) и гипаксиальные (расположенные на вентральной стороне оси) участки (3a и 3b).

Эпаксиальные мышцы состояли из M. longissimus и M. transversospinalis, которые были разделены межмышечной дорсальной перегородкой (septum intermusculare dorsi). В то время как M. longissimus занимала большую часть эпаксиального участка, M. transversospinalis была относительно тонкой.

Гипаксиальный участок состоит исключительно из мышц M. ilio-ischiocaudalis (3a и 3b), которые обычно дополняются M. caudofemoralis в проксимальной области хвоста. Стоит отметить, что в исследуемых образцах ожидалось отсутствие M. caudofemoralis, так как повреждение хвоста было дистальнее места расположения поперечных отростков и M. caudofemoralis.

Окрашивание гематоксилином и эозином (H&E) поперечных срезов проксимальной мышцы выявило однородные пучки мышечных волокон, окруженных базальной мембраной (3c и 3d).

Иммуногистохимическое исследование (ИГХ) показало, что мышца содержит преимущественно волокна типа II* (3e-3h).

Мышечные волокна типа II* — быстро сокращающиеся мышечные волокна, необходимые для коротких мощных всплесков энергии, т.е. для кратковременных действий высокой интенсивности.

Изображение №4

Понимая, из чего состоит здоровый хвост аллигатора, ученые приступили к анализу отросшего хвоста и к сравнению его с оригиналом.

Крокодиловые могут отращивать (регенерировать) свой хвост, но не другие конечности. Средняя длина отросших хвостов составляет 15.7 ± 7.3 см, т.е. примерно 6–18% от общей длины тела. При этом определить отросшие сегменты достаточно просто по внешней морфологии.

Чешуя отросшего хвоста отличается по цвету и рисунку относительно исходного хвоста. Маленькие черные чешуйки были равномерно распределены по окружности регенерированного хвоста, на котором не было спинных щитков (4a-4d). Эти чешуйки прочно прилегали к подлежащей ткани. Более детальное рассмотрение кожи отросшего хвоста показало наличие всех типичных слоев эпидермиса и дермы (4i).

Рентгенограмма показала, что в отросшем сегменте хвоста нет кости, однако было обнаружено присутствие стержневидной структуры (4e-4g). В одном образце (A04) эта структура присутствовала в отросшем хвосте, который выступал из дорсальной поверхности исходного хвоста (4h). Именно эта ситуация, скорее всего, объясняется травмой, которая не привела к полной ампутации хвоста.

Изображение №5

В этом образце также отсутствовал дистальный конец хвоста и присутствовал регенерированный небольшой сегмент. МРТ подтвердило наличие несегментированной, полой, стержнеобразной структуры (5a) с отверстиями, распределенными по длине хвоста (5b-5e).

Ученые отмечают, что подобные отверстия в регенерированном хвосте были ранее обнаружены у зеленой ящерицы (Lacerta viridis), а служат они каналами для отрастания кровеносных сосудов и аксонов. В хвосте аллигатора стержнеобразная структура располагалась вентрально (5с-5f).

Изображение №6

Гистологическое исследование структуры эндоскелета подтвердило, что он состоит из хрящевой ткани, а не кости. Окрашивание ткани трихромом показало бессосудистый богатый коллагеном внеклеточный матрикс (ВКМ), который был редко заселен большими круглыми хондроцитами, внедренными в лакуны* (6a и черные стрелки на 6b).

Лакуны* — промежутки между участками тканей.

Хондроциты, расположенные ближе к интерфейсу между хрящом и окружающей соединительной тканью, были меньше и плотнее (белая стрелка на 6b).

Посредством ИГХ с использованием коллагена COL2A1 удалось идентифицировать область(6c и 6d), отделяющую хрящ от вышележащей соединительной ткани. Подобных образований не было обнаружено в контрольных образцах (6e и 6f).

Изображение №7

Диссекция показала, что в отросшем сегменте хвоста отсутствуют скелетные мышцы, а иммуноокрашивание антителом, распознающим мышечно-специфический клеточный маркер, подтвердило это (7a и 7b по сравнению с 3e и 3f).

Гистологическое исследование показало избыток кожного коллагена, а также густую сеть неравномерной волокнистой соединительной ткани, которая была редко заселена мононуклеарными клетками (7с и 7d). Сеть переплетенных волокон окрашивалась в красный цвет красителем Picrosirius Red. Из этого следует, что она основана на коллагене (7e и 7f).

Также было установлено, что более крупные волокна относятся к коллагену I типа, а более мелкие к коллагену III типа (7g и 7h). Подобная картина наблюдалась во всех образцах. Единственное отличие было обнаружено в образце А03 (7i), где присутствовали большие карманы адипоцитов (жировая ткань).

В отросшем хвосте было достаточно много аксонов и кровеносных сосудов разного размера. Нервные пучки, представленные аксонами в оболочке из соединительной ткани, часто находились в непосредственной близости друг от друга (7i и 7j). Учитывая отсутствие скелетных мышц, можно предположить, что эти нервные отростки участвуют в сенсорном восприятии, а не в моторике.

Идентификация кровеносных сосудов была осуществлена за счет их отличительных особенностей, таких как наличие просвета, выстланного эндотелиальными клетками и иногда гладкими мышцами (7k). Кроме того в просветах более крупных сосудов обнаруживались эритроциты, которые у рептилий имеют эллиптическую форму с центрально расположенным ядром (7l).

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

Регенерация это удивительная, но неоднозначная способность, присущая далеко не всем живым организмам на Земле. На первый взгляд, у регенерации имеются общие функциональные корни, однако при детальном рассмотрении становится очевидным наличие разных механизмов ее работы.

В данном труде ученые рассмотрели регенеративные способности миссисипских аллигаторов. Как и ящерицы, эти грозные хищники способны отращивать свой хвост. Однако потеря данной конечности происходит не по собственному желанию (т.е. не является примером автотомии), а является результатом травмы. Сам же процесс восстановления утраченного хвоста занимает долгие месяцы, а результат сильно отличается от оригинала внешне и по структурному составу. В образцах отросших хвостов не было обнаружено скелетных мышц. Вместо этого преобладал коллаген, формирующий хрящевую ткань. Тем не менее кровеносные сосуды и нервные окончания были достаточно развиты.

Зачем аллигаторам регенерация? Ответов на этот вопрос много, выбирай любой, как говорится. Во-первых, аллигаторы не рождаются трехметровыми машинами смерти. Следовательно, в юном возрасте они могут стать жертвами нападения крупных хищников и потерять часть хвоста, который все же понадобится им во взрослой жизни. Во-вторых, крокодиловые отличаются своей кровавой конкурентностью. Когда два самца сражаются за самку или за территорию, они готовы разорвать друг друга на части, лишь бы получить желаемое. Во время драки весьма распространенными травмами являются сломанные конечности и откушенные хвосты. В первом случае, слава эволюции, кости аллигаторов достаточно быстро срастаются. Во втором — на сцену выходит регенерация.

Конечно, регенеративные способности аллигаторов далеки от идеала. Однако сам факт наличия столь уникального умения у данного вида порождает вопрос — почему птицы утратили его? Другими словами, когда в ходе эволюции одни виды решили отказаться от регенерации полностью, а другие сохранили ее в каком-то виде? Ответы на эти вопросы еще предстоит найти.

На данный же момент любые исследования регенерации так или иначе ведут к медицине. Люди, к сожалению (а может и к счастью), не обладают столь сильной регенерацией, как, скажем, ящерицы или гидры. Да, наше тело в той или иной степени со временем обновляется на клеточном уровне, но это всего лишь физиологическая регенерация. Если бы мы смогли обрести репаративную регенерацию, это бы кардинально поменяло не только медицину, но и саму жизнь человека как вида.

Однако не стоит забывать, что все в природе происходит не просто так. Эволюция это хоть и запутанный, сложный и порой непонятный, но все же выверенный процесс, в ходе которого все происходит по какой-то причине. Природа напоминает карточный домик, где каждому виду выделено определенное место. Если же один из них резко изменится, хрупкий баланс может нарушиться, а домик рухнуть.

Человек часто ассоциируется с прогрессом, основным двигателем которого является наука, частенько порождающая множество этических дебатов. Что хорошо для нас, а что хорошо для планеты, что правильно, а что выгодно — эти вопросы неустанно всплывают, когда научное сообщество пополняется очередным невероятным исследованием или открытием. Какой бы ни был ответ на любой из этих вопросов, нельзя отрицать мощь человеческого интеллекта. Главное, чтобы он был направлен в правильное русло.

Источник