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我们如何解释？虽然遗传学是人们通常会想到的答案，但它并不是唯一的解释。通过结合胚胎发育的观察、先进的显微镜和尖端的计算机建模，来自日内瓦大学（UNIGE）的一个多学科研究小组证明，鳄鱼头部鳞片来自生长组织的力学，而不是分子遗传学。因此，在不同鳄鱼物种中观察到的这些头部鳞片的多样性源于机械参数的演变，例如皮肤的生长速度和硬度。发表在《自然》杂志上的这些研究结果，对生命形式的发展和进化所涉及的物理力量有了新的认识。
我们如何解释生物体的形态多样性？虽然遗传学是人们通常会想到的答案，但它并不是唯一的解释。通过结合胚胎发育的观察、先进的显微镜和尖端的计算机建模，来自日内瓦大学（UNIGE）的一个多学科研究小组证明，鳄鱼头部鳞片来自生长组织的力学，而不是分子遗传学。因此，在不同鳄鱼物种中观察到的这些头部鳞片的多样性源于机械参数的演变，例如皮肤的生长速度和硬度。这些结果发表在杂志上自然，揭示了参与生命形式发展和进化的物理力量。
生物形态多样性和复杂性的起源仍然是科学界最大的谜团之一。为了解开这个谜团，科学家们研究了大量不同的物种。UNIGE科学学院遗传和进化系教授Michel Milinkovitch的实验室研究了脊椎动物皮肤附属物（如羽毛、毛发和鳞片）的发展和进化，以了解造成这种多样性的基本机制。这些附属物的胚胎发育通常被认为是由由基因表达引起的许多分子之间相互作用的化学过程决定的。
就像一条扩展的裂缝
此前，该团队表明，鳄鱼头部鳞片的胚胎发育与身体鳞片不同，它起源于一个过程，让人想起在机械应力下材料内部裂纹的扩展。然而，这个物理过程的真实性质仍然未知。
这些科学家现在已经解决了这个谜团，这要归功于他们新的、高度跨学科的工作。首先，他们追踪了尼罗河鳄胚胎发育过程中头部鳞片的外观，总共持续约90天。虽然覆盖下颚的皮肤在第48天之前保持光滑，但在第51天左右出现皮肤褶皱。然后，这些褶皱展开并相互连接，形成不规则的多边形鳞片，包括鼻子顶部的大而细长的鳞片，以及下巴两侧的小鳞片。
如果动物的皮肤比它所附着的底层组织生长得快，你可以预期皮肤会弯曲和折叠，因为它的生长受到限制。研究小组试图探索这一过程是否可以解释鳄鱼胚胎中皮肤褶皱和鳞片的出现。因此，他们开发了一种技术，将一种激活表皮生长和硬化的激素——表皮生长因子（EGF）注射到鳄鱼卵中。科学家们发现，生长的激活和皮肤表面硬度的增加导致了皮肤褶皱组织的惊人变化。
“我们发现胚胎的皮肤褶皱异常，形成了一个类似于人脑褶皱的迷宫状网络。令人惊讶的是，当这些经过egf处理的鳄鱼孵化时，这种类似大脑的折叠已经放松成一种更小的规模，与另一种鳄鱼物种凯门鳄相当，”加布里埃尔Santos-Durán和罗里库珀解释说，他们是米歇尔米林科维奇实验室的博士后研究员，也是这项研究的共同作者。因此，生长速度的变化和皮肤的硬化提供了一种简单的进化机制，能够在不同的鳄鱼物种中产生广泛多样的鳞片形式。
颌骨发育的三维模型
然后，科学家们使用了一种先进的成像技术，被称为“光片显微镜”，来量化构成胚胎头部的各种组织（表皮、真皮和骨骼）的生长速度和几何形状，以及真皮中胶原纤维的组织。该团队利用这些数据建立了一个三维（3D）计算机模型来模拟皮肤的受限生长。该模型还允许研究人员探索改变组织层的特定生长速率和刚度的影响。
“通过探索这些不同的参数，我们可以生成不同的头部尺寸形状，分别对应于有或没有EGF处理的尼罗鳄，以及眼镜凯门鳄或美洲鳄。“这些计算机模拟表明，组织力学可以很容易地解释不同物种某些解剖结构形状的多样性，而不必涉及复杂的分子遗传因素，”Michel Milinkovitch实验室的计算机工程师、该研究的合著者Ebrahim Jahanbakhsh总结道。
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