Рост длинных костей многих животных, как и людей, обеспечивают пластинки роста – участки хрящевой ткани вблизи каждого из концов кости. Пока организм растет, клетки в них активно делятся, увеличиваются в размерах и постепенно умирают, уступая место костной ткани.
Изначально в эволюции четвероногих позвоночных (и в эмбриональном развитии) хрящевая ткань на концах костей служит как для роста, так и для артикуляции скелета. Но в какой-то момент эта ткань разделяется на собственно пластинку роста и суставной хрящ, покрывающий оконечность кости. Между ними возникает костный эпифиз, или вторичный центр оссификации – небольшая косточка. Она постепенно увеличивается. К тому моменту, когда рост организма прекращается, пластинка роста исчезает, и эпифиз соединяется с основной частью кости.
Долгое время ученые не могли понять, зачем нужно это разделение хрящевой ткани на две схожих структуры, ведь вместе с эпифизом они образуют достаточно сложную систему, и ее появление в ходе эволюции должно быть чем-то оправдано.
Ранее авторы работы доказали, что костный эпифиз провоцирует образование в пластинке роста стволовой ниши, в которой сохраняются условия для самообновления и многократного деления клеток хрящевой ткани. В последней статье ученые попытались выяснить, когда у животных впервые появился вторичный центр оссификации и какие еще функции он выполняет.
Эволюционный анализ показывает, что эпифиз возник у высших позвоночных – амниот (к ним относятся пресмыкающиеся, птицы и млекопитающие, а также их предки). Амниоты были первыми организмами, которые стали проводить всю свою жизнь на суше, и ученые предположили, что появление эпифиза может быть связано с намного большей, чем у морских животных, механической нагрузкой на скелет.
Чтобы проследить эту связь, авторы работы сравнили несколько видов позвоночных, у которых конечности приспособлены к разным нагрузкам. Летучие мыши с самого рождения передвигаются вместе с матерью, держась за нее задними лапами, а крылья начинают использовать только через пару недель, и вторичные центры окостенения в костях задних лап развиваются у них значительно раньше, чем в костях крыльев. Детеныши некоторых видов даже рождаются с полностью сформированными задними лапами.
Тушканчики Jaculus jaculus в первые две недели ползают, используя только передние конечности, на третьей неделе ходят на всех четырех и лишь на четвертой начинают передвигаться на задних лапах. Вторичные центры оссификации у этих животных возникают раньше в костях передних лап.
Предположение о важности эпифиза при высоких нагрузках на суше подтвердил и анализ строения костей китообразных. В ходе их эволюции (они произошли от сухопутных животных) вторичный центр оссификации, наоборот, развивался все слабее и у некоторых видов (касатки, кашалоты) исчез полностью.
Математические расчеты также подтвердили, что вторичные центры оссификации снижают нагрузку на пластинку роста, предотвращая ее деформацию. Однако как такая защита со стороны эпифиза влияет на развитие пластинки роста на клеточном уровне? Эксперименты выявили, что наиболее чувствительны к нагрузке гипертрофированные хондроциты. Но в костях, где есть окостенение эпифиза, они могут выдерживать в 15-25 раз большее давление, прежде чем погибнут. То есть дольше сохраняются структуры, необходимые для роста костей.
Таким образом было показано, что появление костного эпифиза позволило животным расти на суше, а повреждение пластинки роста из-за чрезмерных нагрузок может сказаться на всем процессе роста костей. Сделанные выводы могут пригодиться в планировании занятий спортом для подростков и молодых людей и разработке новых хирургических методов лечения повреждений эпифиза.
В этом многогранном исследовании приняли участие ученые из Швеции, Украины, России, Франции, Австрии и США. Проект поддержан грантами Российского научного фонда.
Пресс-служба Сеченовского университета
