与蛇和蜥蜴光滑的鳞片不同，鳄鱼的皮肤（尤其是头部）具有更崎岖、更立体的鳞片图案，这在爬行动物中相当独特。其独特的皮肤形成方式一直困扰着科学家——直到现在。研究发现，它们面部和下颌的鳞片图案并非由基因决定，而是由皮肤折叠的机械过程形成的。研究结果已于12月11日在《自然》杂志上发表。
波点图案
通常情况下，动物皮肤的附属物（包括毛发、羽毛和鳞片）在胚胎发育过程中由特定基因控制。但鳄鱼的头部鳞片是例外。
“鳄鱼是美丽的动物，却有着糟糕的名声，”研究合著者、瑞士日内瓦大学人工与自然进化实验室的物理生物学家Michel Milinkovitch告诉《大众科学》。“它们是多种原因下的杰出野兽。其中一个原因是它们是鸟类和恐龙的近亲（即姐妹群）。”
Milinkovitch 解释说，它们身体鳞片和头部鳞片发育方式的显著差异也使它们与众不同。鳄鱼身体的鳞片发育过程，在胚胎发育过程中，遵循科学家所称的基因表达的波点图案。这意味着特定的基因在组织或器官的特定局部区域开启。
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“因此，在每个基因表达高发的位点，细胞就会被‘设定’形成皮肤附属物——根据物种不同，可能是毛发、羽毛或鳞片，”Milinkovitch 解释道。
然而，鳄鱼头部的鳞片与其身体鳞片有所不同。在从一只尼罗鳄身上采集血液样本时，Milinkovitch 被其下颌和面部不同寻常的鳞片图案所吸引，其中一些多边形的边缘并未完全连接。这种不寻常的图案无法用传统的基因决定鳞片形成机制来解释。
Milinkovitch 怀疑可能存在一种机械过程在起作用，而非基因。然而，确定具体机制一直很困难，因为鳄鱼胚胎非常难以获得。
皮肤的折叠
Milinkovitch 和他的同事们花了十多年时间才收集到足够的胚胎来进行这项新研究。一旦团队有了足够的胚胎进行研究，他们就将胚胎实验与计算机模拟相结合，构建了一个三维机械生长模型，详细描述了鳄鱼头部鳞片的图案形成。
他们发现，鳞片通过一些常见的机械过程进行自我组织，包括压缩折叠。这种折叠始于皮肤生长速度快于其下骨骼，并且皮肤本身变得弹性增加或变得更硬。然后，这种折叠和物理变化在鳄鱼生长过程中产生头部鳞片独特的、不规则的几何图案。
“我们的数学模型表明，通过轻微改变皮肤的机械特性，就可以轻易获得不同鳄鱼物种之间头部鳞片非常不同的图案，”Milinkovitch 说。“因此，我们不必调用大量基因的改变来解释鳄鱼头部鳞片图案的演化：皮肤生长和机械特性的微小进化改变就能解释这一切。”
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染色胶原蛋白
为了精确描绘这些力学过程，该团队还需要开发新的胶原蛋白染色方法。这种蛋白质构成皮肤、骨骼、韧带、肌腱和其他结缔组织，并且在多种生物学功能中，对于保护身体器官至关重要。
“我们的技术现在被许多研究人员采纳，因为理解胶原蛋白的三维结构对于理解癌症肿瘤的侵袭性以及皮肤老化至关重要，”Milinkovitch 说。
开发针对像胶原蛋白染色这样广泛应用的新方法，以及弄清楚像鳄鱼这样的生物皮肤下方到底发生了什么，也揭示了胚胎发育中一个常常被忽视的部分。
“它（力学）在胚胎发育中起着巨大的作用，生物学和物理学研究人员正在慢慢认识到这一点，”Milinkovitch 说。“保持好奇心，环顾四周，我们还有太多关于生命世界的方面不了解。”
