Если вы внимательно посмотрите на перья курицы, вы обнаружите много разных форм у одной и той же птицы - даже в пределах одного пера. Разнообразие форм и функций перьев значительно расширяется, если рассматривать перья птиц, начиная от страусов и заканчивая пингвинами и колибри. Исследователи, опубликовавшие сообщение в журнале Cell от 27 ноября, применили междисциплинарный подход к пониманию того, как создаются все эти перья.
«Мы всегда задаемся вопросом, как птицы могут летать, и по-разному», - говорит автор корреспонденции Ченг-Минг Чуонг из Университета Южной Калифорнии в Лос-Анджелесе.«Некоторые парят, как орлы, а другим требуется быстрое взмахивание крыльями, как колибри». Некоторые птицы, в том числе страусы и пингвины, вообще не летают.
«Такие различия в стилях полета в значительной степени связаны с характеристиками их маховых перьев», - добавляет Чуонг. «Мы хотели узнать, как делаются маховые перья, чтобы лучше понять природу и изучить принципы биоархитектуры».
В новом исследовании исследователи собрали междисциплинарную команду, чтобы изучить перья с разных точек зрения, от их биофизических свойств до лежащей в основе молекулярной биологии, которая позволяет им формироваться из стволовых клеток в коже. Они исследовали перья нелетающих страусов, кур, летающих на короткие расстояния, парящих уток и орлов, а также часто летающих воробьев. Они изучали крайности, включая колибри и пингвинов. Чтобы лучше понять, как перья развивались и менялись с течением времени, команда также изучила перья, которым почти 100 миллионов лет, найденные в янтаре в Мьянме.
Основываясь на своих выводах, исследователи объясняют, что модульная структура перьев позволила птицам адаптироваться в ходе эволюции, помогая им преуспевать во многих различных средах, в которых птицы живут сегодня. Их структура также допускает специализацию перьев в разных частях тела отдельной птицы.
Маховое перо состоит из двух легко адаптируемых архитектурных модулей: центрального стержня или стержня и периферийной лопасти. Рахис представляет собой составной стержень, состоящий из пористого мозгового вещества, который сохраняет легкость перьев, окруженный жесткой корой, добавляющей прочности. Их исследования показывают, что эти два компонента позвоночника позволяют создавать очень гибкие конструкции, которые позволяют летать или иным образом передвигаться по-разному. Исследователи также выявили лежащие в основе молекулярные сигналы, включая Bmp и Ski, которые определяют развитие этих конструктивных особенностей.
К позвоночнику прикреплена лопасть пера. Лопатка - это часть пера, состоящая из множества мягких зазубрин, которые застегиваются вместе. Исследователи сообщают, что лопасть развивается по принципам, схожим с вырезанием бумаги. Таким образом, один эпителиальный слой образует серию разнообразных разветвленных структур с отдельными зазубринами, каждая из которых имеет множество крошечных крючков, которые удерживают лопасти вместе в плоскости с помощью механизма, подобного липучке. Их исследования показывают, что градиенты другого сигнального пути (Wnt2b) играют важную роль в формировании этих зазубрин.
Чтобы оглянуться назад в прошлое, исследователи изучили недавно обнаруженные окаменелости янтаря, что позволило им исследовать тонкие трехмерные структуры перьев. Их исследования показывают, что древние перья имели ту же базовую структуру, но с более примитивными характеристиками. Например, соседние зазубрины образовывали лопасти с перекрывающимися зазубринами, без застежки-липучки, как у современных птиц.
Мы узнали, как простая кожа может быть преобразована в перо, как структура прототипа пера может быть преобразована в пуховые, контурные или маховые перья, и как маховое перо может модулироваться для адаптации к различным режимы полета, необходимые для различных жизненных условий», - говорит Чуонг.«В каждом уголке и в разных морфологических масштабах мы были поражены тем, как элегантная адаптация архитектуры прототипа может помочь различным птицам адаптироваться к различным новым условиям».
Исследователи говорят, что они не только помогают понять, как птицы адаптировались с течением времени, но и надеются, что открытые ими архитектурные принципы, основанные на биотехнологиях, могут оказаться полезными при разработке технологий будущего. Они отмечают, что композитные материалы будущего могут способствовать созданию легких, но прочных летающих дронов, долговечных и устойчивых ветряных турбин или более совершенных медицинских имплантатов и протезов.
Соруководитель группы и биофизик Вен Тау Хуан из Центра интегративных стволовых клеток больницы Китайского медицинского университета, Тайвань, уже начал изучать применение архитектурных принципов, вдохновленных перьями, в дизайне биоматериалов. Команда также надеется узнать больше о молекулярных сигналах, которые позволяют формировать такие сложные структуры перьев из эпидермальных стволовых клеток, которые начинаются одинаково.