МОСКВА. Российские и французские исследователи обнаружили фундаментальный закон, управляющий организацией живых тканей — от человеческой кожи до коралловых колоний. Этот универсальный принцип, по мнению ученых, открывает новые перспективы для понимания процессов регенерации и заживления ран. Детали исследования были опубликованы в научном журнале Physical Review Research и анонсированы Российским научным фондом (РНФ).
Известно, что эпителиальные ткани, формирующие кожу, стенки кишечника и других органов, состоят из плотно расположенных многоугольных клеток. Ранее уже было установлено, что в здоровых эпителиях различных организмов — как животных, так и растений — клетки стремятся к энергетически оптимальному расположению, характеризующемуся определенным числом граней и соседей.
Однако оставалось неясным, применим ли этот же принцип к более сложным структурам, таким как колонии кораллов, которые состоят из тысяч отдельных полипов.
Ученые из Южного федерального университета (Ростов-на-Дону) и Университета Монпелье (Франция) провели сравнительный анализ организации эпителиальных клеток и расположения отдельных полипов в коралловых колониях.
Для изучения человеческого эпителия (клеток шейки матки) и эпителия почки обезьяны использовался конфокальный микроскоп, позволяющий получать высококонтрастные изображения с высоким разрешением. Тысячи цифровых изображений колоний кораллов различных семейств (Faviidae, Merulinidae и Montastraeidae) были получены с помощью микрокомпьютерной томографии. Для каждого полипа определялось количество ближайших соседей и занимаемая им площадь.
Результаты показали удивительное сходство: распределение полипов по числу соседей в исследованных кораллах практически идентично таковому в эпителиальных тканях. Большинство структурных элементов (43–51%) имели шесть соседей, 25–27% — пять, а остальные — четыре, семь, восемь или девять соседей.
На основе полученных данных была разработана компьютерная модель, объясняющая эту закономерность. Модель предполагает, что как клетки, так и полипы взаимодействуют подобно частицам, которые отталкиваются при слишком близком расположении и прекращают взаимодействие на больших расстояниях.
Авторы исследования отмечают, что разработанная модель имеет важное значение для изучения развития тканей и заживления ран, для оценки состояния коралловых рифов в контексте экологии, а также для биомедицинских применений.
Сергей Рошаль, профессор кафедры нанотехнологии ЮФУ и руководитель проекта, подчеркнул, что «биологические системы, несмотря на их организационные различия, подчиняются одному простому и универсальному физическому принципу в построении своей структуры. Эти знания крайне важны для развития регенеративной медицины и понимания механизмов восстановления тканей.»
Он также добавил, что эти принципы могут помочь в прогнозировании реакции коралловых рифов на изменение климата и загрязнение, поскольку рифы находятся под серьезной угрозой. В настоящее время французские коллеги из ЮФУ продолжают исследования, изучая образцы ископаемых кораллов с использованием компьютерной микротомографии.
Scientists Discover Universal Law of Living Nature`s Organization
MOSCOW. Researchers from Russia and France have uncovered a fundamental law governing the organization of living tissues, ranging from human skin to coral colonies. According to the scientists, this universal principle opens new avenues for understanding processes of regeneration and wound healing. The details of the study were published in the scientific journal Physical Review Research and announced by the Russian Science Foundation (RSF).
It is known that epithelial tissues, which form skin, the lining of intestines, and other organs, are composed of tightly packed, polygonal cells. Previous research established that in healthy epithelia of various organisms — both animals and plants — cells tend towards an energetically optimal arrangement, characterized by a specific number of faces and neighbors.
However, it remained unclear whether this same principle applies to more complex structures, such as coral colonies, which are made up of thousands of individual polyps.
Scientists from Southern Federal University (Rostov-on-Don) and the University of Montpellier (France) conducted a comparative analysis of the cellular structure of epithelia and the arrangement of individual polyps within coral colonies.
To study human epithelium (cervical cells) and monkey kidney epithelium, a confocal microscope was used, enabling high-contrast, high-resolution tissue imaging. Thousands of digital images of coral colonies from various families (Faviidae, Merulinidae, and Montastraeidae) were obtained using micro-computed tomography. For each polyp, researchers determined the number of its closest neighbors and the area it occupied.
The results revealed a striking similarity: the distribution of polyps by the number of neighbors in all studied corals was almost identical to that observed in epithelial tissues. The majority of structural elements (43–51%) had six neighbors, 25–27% had five, and fewer had four, seven, eight, or nine neighbors.
Based on the data obtained, a computer model was developed to explain this observed pattern. The model suggests that both cells and polyps behave like particles that repel each other when in close proximity and cease to interact at larger distances.
The study`s authors emphasize that the developed model holds significant importance for understanding tissue development and wound healing mechanisms, for ecological assessment of coral reef health, and for various biomedical applications.
Sergey Roshal, a professor at the Department of Nanotechnology at Southern Federal University and project leader, highlighted that «biological systems, despite their organizational differences, adhere to a single, simple, and universal physical principle in constructing their structure. This knowledge is critically important for the advancement of regenerative medicine and for comprehending tissue repair mechanisms.»
He further added that these principles could also aid in predicting how coral reefs, which face severe threats from climate change and marine pollution, will respond to environmental transformations. Currently, French colleagues of the Southern Federal University scientists are continuing their research by studying fossil coral samples using micro-computed tomography.
