Eine aktuelle Studie, die in der wissenschaftlichen Zeitschrift iScience veröffentlicht wurde, zeigt, dass Schildkröten die ersten bekannten Wirbeltiere sind, die zwei verschiedene Mechanismen zur Bildung von Kopfschuppen verwenden: einen, der auf genetischen Signalen basiert, und einen anderen, der rein mechanisch ist. Diese Entdeckung erweitert unser Verständnis der Evolution und eröffnet Türen für technologische Innovationen.
Traditionell entstehen Hautstrukturen wie Schuppen, Federn und Haare bei Wirbeltieren aus Plakoden, spezialisierten Regionen der Epidermis, die durch hochkonservierte genetische Signale gesteuert werden. Krokodile bilden jedoch eine Ausnahme: Ihre Kopfschuppen entstehen durch physikalisches Falten der wachsenden Haut. Wissenschaftler der Universität Genf (UNIGE) haben nun entdeckt, dass Schildkröten beide Prozesse kombinieren, ein beispielloser Ansatz unter Wirbeltieren.
Mithilfe von 3D-Lichtblattmikroskopie und Computermodellierung zeigte das Team, dass einfache physikalische Kräfte ausreichen, um die unregelmäßigen Muster zu erzeugen, die in Schildkrötenschuppen beobachtet werden. Die simulierten Modelle, die Parameter wie Gewebesteifigkeit und Wachstumsrate anpassten, konnten die tatsächlichen schuppenartigen Formen nachbilden, die bei verschiedenen Schildkrötenarten zu sehen sind. Diese Erkenntnis stellt traditionelle Paradigmen der Entwicklungsbiologie in Frage.
Aus evolutionärer Sicht sind Schildkröten (Testudinata) die engsten lebenden Verwandten von Krokodilen und Vögeln. Die Tatsache, dass Schildkröten und Krokodile den physikalischen Mechanismus der Schuppenbildung teilen, deutet darauf hin, dass es sich um ein ancestrales Merkmal handelt, das im letzten gemeinsamen Vorfahren der Gruppe vorhanden war. Diese Forschung unterstreicht die aktive Rolle der Physik in der Morphogenese, dem biologischen Prozess, der dazu führt, dass ein Organismus seine Form entwickelt.
Über ihren akademischen Einfluss hinaus eröffnet diese Studie Türen für technologische Innovationen. Durch das Verständnis, wie die Natur komplexe Strukturen auf der Grundlage einfacher physikalischer Regeln schafft, ergeben sich Möglichkeiten für Fortschritte in der Biomimikry, der regenerativen Medizin und dem Materialdesign. Diese Forschung zeigt, wie mechanisches Falten biologische Muster formen kann und bietet praktische, von der Natur inspirierte Lösungen.