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Die Rüstung knacken

Amnioten weisen eine keratinisierte Epidermis auf, die Wasserverlust und Hautanhangsgebilde verhindert, die eine wichtige Rolle bei der Thermoregulation, dem Lichtschutz, der Tarnung, der Verhaltensanzeige und der Verteidigung gegen Raubtiere spielen. Während Säugetiere und Vögel Haare bzw. Federn entwickelten, entwickelten Reptilien verschiedene Arten von Schuppen. Obwohl ihre Entwicklungsprozesse einige Signalwege teilen, ist unklar, ob Säugetierhaare, Vogelfedern und Fußschuppen sowie Reptilienschuppen homolog sind oder ob sich einige von ihnen konvergent entwickelt haben (1). Bei Vögeln und Säugetieren erzeugt ein Reaktions-Diffusionsmechanismus (RDM) (2) ein räumliches Muster von Placodes, die sich zu follikulären Organen mit einer dermalen Papille und dem Wachstum einer länglichen keratinisierten epidermalen Struktur (Haare oder Federn) entwickeln und differenzieren (3). Schuppen bei Reptilien bilden jedoch keine echten Follikel und entwickeln sich möglicherweise nicht aus Placodes (4). Stattdessen stammen Reptilienschuppen im Embryo aus regelmäßigen dermoepidermalen Erhebungen (1). Während die regelmäßige räumliche Organisation der Schuppen auf dem größten Teil des Reptilienkörpers durch ein RDM bestimmt wird, sind wahrscheinlich zusätzliche Positionshinweise an der Entwicklung der Skalenplatten beteiligt, die auf dem Kopf vieler Schlangen und Eidechsen vorhanden sind. Diese Kopfschuppen bilden ein vorhersagbares symmetrisches Muster (Abb. 1A) und bieten mechanischen Schutz.

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Abb. 1. Räumliche Verteilung der Kopfschuppen. (A) Kopfschuppen bei den meisten Schlangen (hier eine Kornnatter) sind Polygone (zwei obere Felder) mit stereotyper räumlicher Verteilung (zwei untere Felder): Linke (gelb) und rechte (rot) Schuppenkanten überlappen sich, wenn sie über die Sagittalebene reflektiert werden (blau). (B) Polygonale Kopfschuppen bei Krokodilen haben eine weitgehend zufällige räumliche Verteilung ohne symmetrische Entsprechung zwischen links und rechts. (C) Kopfschuppen von verschiedenen Individuen haben unterschiedliche Verteilungen der Skalengrößen und Lokalisierungen (blaue und rote Ränder von oberen bzw. unteren Krokodilen).

Methode: 3D-Geometrie und Farbtexturrekonstruktion

Die Autoren machten 120 Farbbilder von jedem Tier, um detaillierte, dreidimensionale Modelle von Reptilienköpfen zu erstellen. Sehen Sie sich dieses Video an, in dem die Autoren ihre Modellierungsmethoden näher erläutern.

Tafel A

Tafel A zeigt die räumliche Verteilung der Kopfschuppen der Kornnatter. Die roten und gelben Linien stellen Schuppenkanten auf der linken und rechten Seite des Kopfes dar. Die untere Platte zeigt, dass das Skalenmuster symmetrisch über den Kopf ist.

Tafel B

Tafel B zeigt die räumliche Verteilung der Kopfschuppen des Nilkrokodils. Wie in der unteren Tafel gezeigt, sind die Schuppenmuster auf der linken und rechten Seite des Krokodilkopfes im Gegensatz zum Muster der Kornnatter nicht symmetrisch zueinander.

Tafel C

Tafel C zeigt auch die räumliche Verteilung der Krokodilkopfschuppen. In diesem Panel werden die Skalenmuster von zwei einzelnen Krokodilköpfen gezeigt. Durch Überlagerung der Skalenmuster zeigen die Autoren, dass die Skalengröße und der Ort zwischen Individuen nicht konsistent sind. Das genaue Skalenmuster eines Individuums ist einzigartig und könnte verwendet werden, wie Fingerabdrücke beim Menschen, um Individuen zu identifizieren.

Das Gesicht und die Kiefer von Krokodilen sind von polygonalen Schuppen (im Folgenden “Kopfschuppen” genannt) bedeckt, die streng benachbart und nicht überlappend sind, aber diese Polygone sind unregelmäßig und ihre räumliche Verteilung scheint weitgehend zufällig zu sein (Abb. 1, B und C). Mit hochauflösenden dreidimensionalen (3D) Geometrie- und Texturrekonstruktionen (5-7) sowie entwicklungsbiologischen Techniken zeigen wir, dass die Kopfschuppen von Krokodilen keine genetisch kontrollierten Entwicklungseinheiten sind und dass ihre räumliche Strukturierung durch physikalisches Knacken eines lebenden Gewebes in einem Stressfeld erzeugt wird. Dieses Phänomen beinhaltet möglicherweise keine spezifischen genetischen Anweisungen außer denen, die mit der Zellproliferation und allgemeinen physikalischen Parametern wie Hautsteifigkeit und -dicke verbunden sind.

Durch Markieren und Analysieren verschiedener Merkmale direkt auf 3D-Modellen mehrerer Individuen des Nilkrokodils (Crocodylus niloticus) (Abb. 1 und (S1) zeigen wir, dass die räumliche Verteilung der Kopfskalen weitgehend zufällig ist.

Erstens weist die Reflexion des Skalennetzwerks über die Sagittalebene auf eine hohe Variabilität zwischen dem linken und dem rechten Kopfmuster hin (Abb. 1B und Fig. S1A). Zweitens zeigt die nicht starre Ausrichtung (8) von Kopfgeometrien von verschiedenen Individuen eine ähnlich große Variabilität der Maßstabsmuster in Bezug auf die Größen und Lokalisierungen von Polygonen (Abb. 1C und Fig. S1B).

Diese Kombination von Ordnung und Chaos in der Verteilung der Kopfschuppen erinnert an die topologische Assemblage von Seifenschäumen (9, 10). Neuere Studien verwendeten das 2D-Schaummodell zur Untersuchung selbstorganisierender Prinzipien und stochastischer Prozesse, die die Epitheltopologie während des Wachstums und der Homöostase prägen (11-13), da die kausale Zelloberflächenmechanik mit der Physik der Schaumbildung vergleichbar ist (14). In ähnlicher Weise könnte das Muster von Krokodilkopfschuppen aus der Energieminimierung von Kontaktflächen zwischen genetisch bestimmten Elementen (Schuppen) resultieren. Zwei andere Mechanismen könnten jedoch zufällige Verteilungen polygonaler Elemente erzeugen: (i) ein RDM, das die räumliche Organisation genetisch bedingter Entwicklungseinheiten wie bei Säugetierhaaren oder Vogelfedern strukturiert, und (ii) das Reißen einer Materialschicht, die ihren Bruch in benachbarte polygonale Domänen verursacht (15).

Obwohl stochastische Muster, die durch diese Prozesse erzeugt werden, einige universelle mathematische Eigenschaften teilen (siehe ergänzende Materialien), werden Schäume und Rissmuster durch sehr unterschiedliche physikalische Phänomene erzeugt, die auf der Grundlage anderer statistischer Merkmale identifiziert werden können. Erstens zeigen Krokodilkopfskalen keine gute Anpassung an die für Schaumstoffe erwartete Flächenverteilungsfunktion (Abb. S3). Zweitens besteht ein grundlegender Unterschied zwischen Schaumstoffen und Rissmustern darin, dass letztere unvollständige Kanten (15) aufweisen können, von denen viele am Kopf von Krokodilen beobachtet werden (Abb. 2A).

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Abb. 2. Signaturen von Cracking. (A) Viele Schuppenkanten am Kopf von Krokodilen sind an einem oder beiden Enden nicht miteinander verbunden. (B) Drei unvollständige Risse wirken symmetrisch zusammen. (C) Kanten neu ausrichten (Pfeile) und Verbinden mit Winkeln nahe 90 °. (D) “Leitern” zwischen parallelen Primärrissen. (E) 90 ° -Netzwerkgrenzverbindungen. (F) DPRs sind pigmentierte Sinnesorgane (links) mit einer modifizierten Epidermis (rechts, Abschnitt im Embryonalstadium E70, dh nach 70 Tagen Eibrut) und einer Tasche verzweigter Nerven (weiße Pfeilspitzen). (G) Unvollständige Risse, die in unmittelbarer Nähe eines DPR anhalten (orangefarbene Punkte). (H) Rissausbreitung vermeidet DPRs.

Die Felder A und B

Die Felder A und B zeigen unvollständige Skalenkanten, d. h. Kantenenden, die nicht mit einer anderen Kante verbunden sind. Das auf Seifenschaumbildung basierende Modell sagt die Bildung unvollständiger Kanten nicht voraus, ein Modell der Rissbildung aufgrund von Schrumpfung jedoch. Daher schließen die Autoren, dass diese Beobachtungen die Hypothese stützen, dass sich Schuppen durch Risse bilden.

Panel C

Panel C zeigt ein hierarchisches Skalenkantenmuster. Ein Riss, der sich von einem bereits vorhandenen Rissende ausbreitet, neigt dazu, sich in einem 90-Grad-Winkel mit der zweiten Kante zu bilden, mit der er verbunden wird. Die schwarzen Pfeile in Tafel C zeigen Beispiele für sich ausbreitende Risse an. Die Platten D und E zeigen Leiternrisse, die durch parallele Risse gekennzeichnet sind, die mit zwei älteren Rissen oder einer Außenkante verbunden sind.

Panel F

Panel F ist eine histologische Färbung der Epidermis eines Krokodilembryos. Die Kuppeldruckrezeptoren, d. H. Die integumentären Sinnesorgane am Kopf und Kiefer des Krokodils, erscheinen als braune Flecken. Weiße Pfeile zeigen Nerven an, die sich unterhalb des Kuppeldruckrezeptors verzweigen.

Scheiben G und H

Scheiben G und H zeigen die räumliche Beziehung zwischen Kuppeldruckrezeptoren, die als orangefarbene Punkte angezeigt werden, und Skalenkanten. Kanten enden an den Domdruckrezeptoren oder vermeiden diese.

Ein weiteres wichtiges Merkmal ist der Winkel zwischen den Kanten an Knoten. In Schaumstoffen sind Kanten Kreisbögen, die sich jeweils nur drei mit einem Winkel von 120 ° schneiden, wie sie durch die drei momentanen gleich langen Zugkraftvektoren auferlegt werden, die an einem Knoten wirken. Diese Regel wird bei allen Arten von Schäumen beobachtet, einschließlich tierischer Epithelien (12, 16), obwohl die Winkelverteilung aufgrund von lokalem Stress, der durch Zellteilung und Wachstum erzeugt wird, erweitert werden kann. Andererseits können Rissmuster verschiedene Winkelverteilungen erzeugen. Nichthierarchische Risse entstehen, wenn sich Brüche gleichzeitig ausbreiten (Abb. 2B) und Kreuzungen neigen dazu, sich bei 120° (17, 18) zu bilden. Wenn sich eine Rissfront spaltet oder wenn mehrere Risse von einem einzigen Punkt aus nukleiert werden, neigen die Übergänge zwischen den Kanten auch dazu, 120 ° zu betragen. Umgekehrt können Rissmuster hierarchisch sein (17, 19); das heißt, Brüche werden sukzessive gebildet, und sich ausbreitende Risse neigen dazu, vorherige Risse in einem 90 ° -Winkel zu verbinden. In der Tat ist die lokale Spannung senkrecht zu einem Riss entspannt und konzentriert sich an der Spitze des Risses (was seine Ausbreitung erklärt), aber die Spannungskomponente parallel zum Riss wird nicht beeinflusst. Da sich Risse senkrecht zur Richtung der maximalen Spannungskomponente ausbreiten, kann sich ein sekundärer Riss drehen, wenn er sich einem älteren nähert, und neigt dazu, ihn um 90 ° zu verbinden. Wenn ein Riss auf der Seite eines älteren Risses beginnt, neigt er zunächst dazu, sich im rechten Winkel auszubreiten (17). Mehrere Beispiele für 90 ° -Verbindungen und unvollständige Kanten, die ihre Ausbreitungsfront neu ausrichten, sind auf dem Gesicht und den Kiefern der Krokodile sichtbar (Abb. 2C). Wir beobachten auch “Leitern” -Muster (17) von gepaarten parallelen Primärbrüchen mit senkrechten multiplen Sekundärrissen (Abb. 2D) und Innenkanten, die senkrecht zur Grenze des Netzwerks (Abb. 2E). Die Verteilungsfunktion der Kantenwinkel ist bei vielen untersuchten Krokodilen bimodal (Abb. S4A), was entweder darauf hindeutet, dass hierarchische und nichthierarchische Crackprozesse koexistieren oder dass Head-Scale-Netzwerke einen “Reifungsprozess” durchlaufen (20-22) (siehe Ergänzungstext).

Kuppeldruckrezeptoren (DPRs) sind pigmentierte runde submillimetrische Sinnesorgane (Abb. 2F), die auf dem Krokodilgesicht und den Kiefern verteilt sind und Oberflächendruckwellen detektieren, so dass sich Krokodile auch bei Dunkelheit schnell auf eine Beute konzentrieren können, die die Wasser-Luft-Grenzfläche stört (23). Die Kuppelform von DPRs ist auf eine modifizierte Epidermis und das Vorhandensein einer Tasche verschiedener Zelltypen im äußersten Teil der Dermis zurückzuführen (Abb. 2F). Wir haben die Lokalisierung von DPRs auf den 3D-Modellen aller gescannten Personen markiert (orangefarbene Punkte, Abb. 2, G und H). Viele der Risse, die ihren Lauf gestoppt haben, waren so nah an einem DPR (Abb. 2G und Fig. S4C). Da die häufigste Ursache für einen Bruchstillstand darin besteht, dass die Rissfront auf eine Heterogenität im System (15) trifft, ist es wahrscheinlich, dass die modifizierte Hautdicke und -zusammensetzung an und um DPRs solche Heterogenitäten darstellen. Darüber hinaus vermeidet der Verlauf vieler Kanten DPRs (Abb. 2H und Fig. S4C).

Die Gesamtverteilung der DPR scheint ziemlich homogen zu sein, außer wenn die Dichte in der Nähe der Zähne zunimmt und an der Rückseite der Kiefer und an der Oberseite des Gesichts abnimmt (Abb. S5). Verschiedene Krokodile unterscheiden sich um bis zu 21% bzw. 48% in ihrer Gesamtzahl an DPR und Risskanten. Bemerkenswerterweise korrelieren diese beiden interindividuellen Variationen umgekehrt: Krokodile mit weniger DPR haben mehr Risskanten (Abb. S4D). Da die Entwicklung von DPR der Rissbildung vorausgeht, legt diese Korrelation nahe, dass DPR die Rissbildung einschränken, wie bereits in Fig. 2, G und H. Trotz der Tatsache, dass die Verteilungen von Rissen und DPRs beide eine starke stochastische Komponente aufweisen, ist der einschränkende Effekt von DPRs auf die Rissbildung spürbar: Die Kanten neigen dazu, sich entlang der Zonen mit der niedrigsten lokalen Dichte von DPRs zu bewegen (Abb. S4E).

Der archetypische Rissprozess in der Physik beruht auf dem Schrumpfen einer Materialschicht, die an einem nicht schrumpfenden Substrat haftet (15, 17), so dass sich ein Spannungsfeld aufbaut und Brüche verursacht, wenn die Spannung eine für das Material charakteristische Schwelle überschreitet. Krokodile haben eine besonders dicke und starre Haut aufgrund des Vorhandenseins einer hochkollagenen Dermis und einer Epidermis, die reich an β-Keratinen ist (24). Die Haut, die ihren Kopf bedeckt, zeigt eine noch dickere (etwa 2 ×) und keratinisiertere Epidermis. Wir schlagen vor, dass das schnelle Wachstum des embryonalen Gesichts- und Kieferskeletts des Krokodils (relativ zur Größe des Neurokraniums) in Kombination mit der Entwicklung einer sehr keratinisierten Haut die mechanische Belastung erzeugt, die Risse verursacht. Hier schrumpft nicht die Rissschicht, sondern die darunter liegende Substratschicht wächst. Es erklärt, dass Risse erster Ordnung (Abb. S6) neigen dazu, die Breite des Gesichts zu durchqueren, da der Kopf in Längsrichtung schneller wächst als in andere Richtungen.

Bei Schlangen und Eidechsen sind Schuppen Entwicklungseinheiten: Jede Skala unterscheidet und wächst von einem Primordium, das durch In-situ-Hybridisierung mit Sonden identifiziert werden kann, die auf Gene abzielen, die zu Signalwegen gehören, die an der frühen Entwicklung von Hautanhangsgebilden beteiligt sind (1, 4). Die großen Kopfschuppen bilden ein vorhersagbares Muster nach Positionshinweisen, so dass die Identität erwachsener Schlangenkopfschuppen erkannt werden kann, während sie sich aus Primordien im Embryo entwickeln (Abb. 3A). Bei Krokodilen folgen alle postkranialen Schuppen demselben Entwicklungsprinzip (Abb. 3B): Die räumliche Verteilung der Primordien wird festgestellt, dann differenziert sich jedes Primordium zuerst in eine symmetrische Erhebung und zweitens als orientierte asymmetrische Skala, die sich mit mehr posterioren Skalen überlappt (Abb. 3C).

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Abb. 3. Krokodilkopfschuppen sind keine Entwicklungseinheiten. (A) Bei Schlangen unterscheidet sich jede Körperschuppe (ventral, v; latero-dorsal, ld) von einem Primordium (Shh-Gensonde für In-situ-Hybridisierung, Kornnatterembryo); Kopfschuppen entwickeln sich auch aus Primordien, wobei Positionshinweise die Schuppenidentität bestimmen (la, Labialschuppen; r, rostral; n, nasal; in, internasal; pf, präfrontal; pro, präokular; so, supraokular; pto, postokulär). (B) Postkraniale Skalen (Zoom auf Stamm, Ctnnb1-Sonde) entwickeln sich ebenfalls aus Primordien, die (C) sich in symmetrische, dann orientierte asymmetrische und überlappende Skalen differenzieren. (D) Krokodilkopfschuppen bilden niemals Schuppenprimordien, sondern entwickeln stattdessen ein Muster von DPR (ein DPR mit gepunkteter Linie eingekreist; Kuppelform bei E45 sichtbar), bevor eine Skala erscheint (Sonde: Ctnnb1).

Scale primordia express specific genes

Die Autoren verwenden die In-situ-Hybridisierung, um die Expression dieser spezifischen Gene zu messen und Primordien zu identifizieren. In-situ-Hybridisierung ist eine Technik, bei der ein markiertes Stück RNA oder DNA, das als Sonde bezeichnet wird und komplementär zu dem interessierenden Gen ist, in einem Gewebe lokalisiert wird. Die markierte Sonde wird Basenpaar mit der mRNA-Sequenz von Interesse, und somit Zellen markieren, wo immer ein Transkript des Gens von Interesse vorhanden ist. Um mehr über die In-situ-Hybridisierung zu erfahren, sehen Sie sich dieses Video an.

Panel A

In Panel A führen die Autoren eine in situ Hybridisierung an einem Kornnatterembryo durch. Die verwendete Sonde ist komplementär zu einem Transkript, das in Schuppenprimordien exprimiert wird, und daher weisen die dunklen Flecken auf Schuppenprimordien hin. Die Kopfschuppen der erwachsenen Kornnatter sind im rechten Bereich in verschiedenen Farben dargestellt. Durch den Vergleich der Position der Schuppenprimordien mit den erwachsenen Kopfschuppen schließen die Autoren, dass sich die Kopfschuppen der Kornnatter aus Schuppenprimordien entwickeln.

Panel C

Als nächstes untersuchten die Autoren die postkranialen Skalen des Krokodils, indem sie eine In-situ-Hybridisierung an einem Krokodilembryo durchführten. Wie in Tafel A im Schlangenembryo ist die verwendete In-situ-Sonde komplementär zu einem Transkript, das in Schuppenprimordien exprimiert wird, so dass die dunklen Flecken auf Schuppenprimordien hinweisen. Tafel C zeigt, im Querschnitt, der zeitliche Verlauf morphologischer Transformationen, die zur Schuppenbildung führen: Erhebungen dann Überlappung der Schuppen. Die Autoren schlussfolgern, dass sich auch krokodilpostkraniale Skalen aus Schuppenprimordien entwickeln.

Scheiben G und H

Die Autoren untersuchen dann Krokodilkopfschuppen. Panel D zeigt eine In-situ-Hybridisierung von Krokodilkopf und -kiefer mit derselben Sonde wie in Panel B. Auf Krokodilkopf und -kiefer treten winzige dunkle Flecken auf, die jedoch den DPR / ISO-Rezeptoren und nicht den Schuppen entsprechen. Daher stammen die Kopf- und Kieferschuppen nicht von scale primordial, sondern von DPR / ISOs. Die histologischen Schnitte auf der rechten Seite der Platte bestätigen, dass die Bildung von Kuppeldruckrezeptoren vor der Bildung von Kopfschuppen erfolgt.

Krokodilkopfschuppen bilden sich jedoch nicht aus Schuppenprimordien oder weiteren Entwicklungsstadien. Stattdessen wird ein Muster von DPRs-Primordien auf dem Gesicht und den Kiefern erzeugt: Die Kuppelform von DPRs hat bereits begonnen, sich zu bilden, bevor eine Skala erscheint (Abb. DREIDIMENSIONAL). Danach erscheinen Rillen progressiv, breiten sich aus und verbinden sich (unter Vermeidung von DPRs), um ein kontinuierliches Netzwerk über die sich entwickelnde Haut zu bilden (Abb. 4A). Der Prozess generiert polygonale Skin-Domänen, die jeweils eine zufällige Anzahl von DPRs enthalten. Daher sind Schuppen im Gesicht und im Kiefer von Krokodilen (i) keine seriellen Homologen von Schuppen an anderer Stelle des Körpers und (ii) nicht einmal genetisch kontrollierte Entwicklungseinheiten. Stattdessen entstehen sie aus physikalischen Rissen.

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Abb. 4. Krokodilkopf Haut Risse während der Entwicklung. (A) Es gibt keine Anzeichen von Rissen an E45 (aber DPR-Primordien sind bereits entwickelt, Abb. 3D), dann erscheinen primäre Risse (Pfeilspitzen) an den Seiten des Oberkiefers und schreiten in Richtung der Oberseite des Gesichts fort (gepunktete Linie). Bei E65 erreichten Primärrisse die Oberseite des Kopfes und es folgten Sekundärrisse in anderen Ausrichtungen (Pfeile). (B) Drei aufeinanderfolgende Hautabschnitte entlang primärer (pc) und sekundärer (sc) Risse (ep, Epidermis; de, Dermis; bo, Knochengewebe). (C) Antikörper gegen Pantherin färbt die gesamte Epidermis, Antikörper gegen proliferierendes Zellkernantigen (PCNA) zeigt eine erhöhte Proliferation an (Pfeile), und terminaler Desoxynukleotidyltransferase–vermittelter Desoxyuridintriphosphat-Nick-Endmarkierungsassay (TUNEL) zeigt das Fehlen von Apoptose in Rissen an.

Tafel A

Tafel A zeigt die Entwicklung von Krokodilkopffellrissen während der Entwicklung des Embryos. Abbildung 3D zeigt die Entwicklung von Kuppeldruckrezeptoren, wenn die Embryonen 45 Tage alt sind, und die linke Tafel von Abbildung 4A zeigt, dass sich in diesem Stadium keine Risse gebildet haben. Risse beginnen sich zu entwickeln, wenn der Embryo 50 bis 55 Tage alt ist.

Tafel B

Tafel B ist ein histologischer Querschnitt entlang eines Risses auf der embryonalen Haut des Krokodils. Von links nach rechts zeigen die Panels sequentielle Abschnitte der Haut. Der Riss erstreckt sich von der Oberseite der Epidermis in die Dermis, aber nicht in das Knochengewebe.

Immunfluoreszenz

In Panel C verwenden die Autoren die Immunfluoreszenz, um zu verstehen, wo bestimmte Proteine lokalisiert sind. Immunfluoreszenz ist eine Technik zur Visualisierung der Proteinlokalisation. Um mehr über Immunfluoreszenz zu erfahren, klicken Sie hier.

Zusätzlich zur Standard-Immunfluoreszenz verwenden die Autoren einen terminalen Desoxynukleotidyltransferase-vermittelten Desoxyuridintriphosphat-Nick-Endmarkierungs-Assay (TUNEL), um Zellen zu identifizieren, die Apoptose durchlaufen haben. Apoptotische Zellen haben DNA beschädigt, und dieser Schaden schließt Kerben ein, die durch ein Enzym repariert werden können, das ein Desoxyuridintriphosphat (dUTP) an der Stelle des Kerbs einfügt. Wenn Enzym und dUTPs, die markiert sind (in diesem Fall rot), zu Zellen hinzugefügt werden, werden nur apoptotische Zellen die dUTPs aufnehmen und rot erscheinen.

Panel C

In Panel C untersuchen die Autoren die Zellproliferation in einem Querschnitt der embryonalen Epidermis. Im ersten und dritten Panel ist ein Protein, das in allen Epidermiszellen exprimiert wird, markiert, und daher erscheinen alle Epidermiszellen grün. Im zweiten und vierten Panel ist ein Protein, das in proliferierenden Zellen gefunden wird, markiert, und daher erscheinen proliferierende Zellen grün. Das zweite und vierte Panel zeigen, dass sich Zellen in den Rissen vermehren. Das zweite und vierte Panel zeigen auch, mit dem TUNEL-Assay, dass die Apoptose in den Rissen reduziert ist.

Während eines typischen Rissprozesses werden Brüche an der Oberseite keimbildet, breiten sich aber schnell nach unten aus und betreffen die gesamte Dicke der Materialschicht (19). Die sich entwickelnde Haut am Krokodilkopf reagiert ähnlich auf das Stressfeld, da sie tiefe Haine entwickelt, die das steife darunter liegende Gewebe erreichen können (Abb. 4B). Unsere Analysen zeigen, dass die Zellproliferation in der Epidermisschicht im tiefsten Bereich der Hautrillen, die Rissen entsprechen, stark erhöht ist (Abb. 4C), was darauf hindeutet, dass ein Heilungsprozess es der Hautschicht ermöglicht, ihre kontinuierliche Abdeckung aufrechtzuerhalten. Der lokale biologische Prozess (Zellproliferation) kann durch den rein physikalischen Parameter (mechanische Belastung) wie folgt gesteuert werden: In Zonen mit höchster Belastung wird lokale Ausbuchtung nukleiert. Die lokale Spannungskomponente senkrecht zur Ausbuchtung ist entspannt und konzentriert sich an ihrer Spitze, was die Ausbreitung sowohl der Spannungs- als auch der Proliferationsmaxima (daher die entsprechende Ausbreitung der Ausbuchtung) erklärt. In einer Weise, die völlig analog zu echten physikalischen Rissen ist, würde sich die Wölbungsfront senkrecht zur Richtung der maximalen Spannungskomponenten ausbreiten, was die Topologie der resultierenden zufälligen polygonalen Hautdomänen erklärt. Die Rolle der Proliferation verstärkt den obigen Vorschlag, dass Rissmuster bei Krokodilen eine Reifung erfahren könnten (20-22), was die beobachtete Mischung aus hierarchischen und nichthierarchischen Merkmalen erklärt (siehe ergänzenden Text und Abb. S4A).

Wir haben gezeigt, dass die unregelmäßigen polygonalen Bereiche der Haut auf dem Krokodilgesicht und den Kiefern durch Rissbildung erzeugt werden, ein Mechanismus, der sich von denen unterscheidet, die Schuppen am postkranialen Teil des Krokodilkörpers sowie am Körper und Kopf aller anderen Reptilien erzeugen. Dieser Crackprozess ist in erster Linie physikalisch. Dies bedeutet jedoch nicht, dass genetisch kontrollierte Parameter irrelevant sind. Obwohl beispielsweise bei allen Krokodilarten ein Rissmuster sichtbar ist, variiert die räumliche Verteilung erheblich, möglicherweise aufgrund der artspezifischen Schädelgeometrie und des Wachstums, aber auch der Hautzusammensetzung und -dicke. Da diese Parameter sowie die Zellproliferation genetisch gesteuert sind, ist die Variation der Kopfrissmuster bei Krokodilarten wahrscheinlich auf ein Zusammenspiel zwischen physikalisch und genetisch kontrollierten Parametern zurückzuführen. Unsere Studie legt nahe, dass neben RDM eine größere Anzahl physikalischer Selbstorganisationsprozesse zur Erzeugung der enormen Vielfalt von Mustern beiträgt, die in lebenden Systemen beobachtet werden.

Ergänzende Materialien

www.sciencemag.org/cgi/content/full/science.1226265/DC1

Material und Methoden

Ergänzungstext

Abb. S1 bis S6

Tabelle S1

Film S1

Referenzen (25-33)

Referenzen und Anmerkungen

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Anerkennungen: Diese Arbeit wurde von der Universität Genf, dem Schweizerischen Nationalfonds und der Schmidheiny-Stiftung unterstützt. A. Tzika half mit in situs. H. Li assistierte bei der nicht starren Registrierung. Wir danken R. Pellet für die Unterstützung beim Mechanikdesign und A. Roux, M. Gonzalez-Gaitan, B. Chopard, U. Schibler und anonymen Rezensenten für nützliche Kommentare und Vorschläge.

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