К 1887 году лорд Кельвин, шотландский математик и физик, уже был известен многочисленными научными открытиями, не последним из которых стало определение абсолютного нуля температуры. А в поздние годы он искал идеальную структуру пены. Это странное предположение имело целью ответ на до того не решенный математический вопрос: какой формы должны быть объекты равного объема, чтобы заполнить пространство и соприкасаться как можно меньше? Несмотря на то, что современники Кельвина отказались от поиска решения как от «чистой траты времени» и «абсолютно бессмысленной затеи», он продолжал вычисления, наконец предложив трехмерную форму с четырнадцатью гранями, которая при соединении с другими такими же объектами создавала красивую структуру, похожую на соты[13].
Гипотетический «тетрагекаэдрон» не стал известным, и около столетия казалось, что наработки Кельвина не имеют связи ни с материальной наукой, ни с природой. Но затем в 2016 году ученые в Японии и в Лондоне с помощью продвинутых технологий увеличения более внимательно рассмотрели человеческий эпидермис[14].
ТЕТРАГЕКАЭДРОН
Они обнаружили, что когда кератиноциты попадают в зернистый слой эпидермиса перед финальным подъемом к поверхности, они принимают уникальную четырнадцатигранную форму. Так что хотя клетки кожи постоянно движутся, прежде чем отшелушиться, контакт между поверхностями клеток настолько тесный, что вода сквозь них не просачивается. Получается, что наша кожа – это идеальная пена. Подобно замысловатым геометрическим плиткам, которые использовались в средневековой мусульманской архитектуре, наша кожа сочетает функциональность и форму, чтобы создать прекрасный барьер.
Если нашу наружную стенку постоянно бить и тереть, эпидермис отвечает, ускоряя образование клеток, и каждый, чья кожа страдала от постоянных потертостей, имел дело с мозолями (от строителей до гребцов). У меня есть друг, который дома постоянно бренчит на гитаре, а на природе забирается на головокружительные скалы. Постоянное воздействие этих двух занятий заставило кератоциты его эпидермиса вырабатываться в намного больших количествах, чем обычно, создав на его пальцах толстые мозоли.
Формирование мозолей – гиперкератоз – это нормальная защитная реакция кожи, если ей нужно укрепить стену. Но нежелательная избыточная выработка кератоцитов может привести к многочисленным кожным проблемам. Примерно один из трех человек сталкивался с «гусиной кожей», или фолликулярным кератозом, при котором маленькие пупырышки телесного цвета появляются по большей части на предплечьях, бедрах, спине и ягодицах. Выглядят они как постоянные не исчезающие мурашки, а ощущаются как грубая наждачная бумага. Это наследственное заболевание вызвано избытком кератиноцитов, покрывающих и блокирующих волосяные луковицы, заставляя волосы расти внутри запечатанных «могил».
Фолликулярный кератоз безвреден и обычно не влияет на качество жизни, но не все виды гиперкератоза так безобидны. В 1731 году человек по имени Эдвард Ламберт был представлен Лондонскому Королевскому обществу. Его кожа (кроме лица, кистей рук и ступней) была покрыта черными хрупкими шипами, вызванными сильным гиперкератозом. «Человек-дикобраз», как его назвали, похоже, был первым в своем роде. Ламберт смог получить работу только в бродячем цирке, путешествующем по Британии и Европе, и в Германии он получил такой же нелестный титул Krustenmann – буквально «Хрустящий человек». Его имя сохранилось в современном названии этого крайне редкого заболевания – ichthyosis hystrix, иглистый ихтиоз. Hystrix – древнегреческое название дикобраза.
Помимо редких генетических заболеваний, сбои барьерной функции эпидермиса также проявляются в более распространенных болезнях. В Европе и США каждый пятый ребенок и каждый десятый взрослый сталкиваются с атопическим дерматитом (клиническое название экземы)[15]. Экзема, которая может как проявиться в виде раздражающей сухости и зуда, так и стать болезнью, разрушающей жизнь, долго считалась чисто «внутренним» заболеванием, внутренним нарушением баланса в организме, проявляющимся в повреждении кожи[16]. Тем не менее, в 2006 году исследование, проведенное командой Университета Данди, обнаружило, что мутации гена, несущего код белка филаггрина[17], тесно связаны с экземой[18]. Филаггрин жизненно важен для целостности барьерного рогового слоя кожи. Он скрепляет мертвые, накладывающиеся друг на друга кератиноциты и естественным образом увлажняет этот слой эпидермиса. Потеря этого белка вызывает трещины, которые ослабляют стенку, позволяя аллергенам и микробам из внешней среды проникнуть в кожу, и вызывают потерю воды. Эта «внешняя» модель предполагает, что экзема (или как минимум многие ее случаи) вызвана скорее структурными нарушениями в защитном барьере кожи, чем внутренними сбоями иммунной системы. Она также может объяснить, почему люди с экземой сталкиваются с сезонными изменениями кожи. Исследование, опубликованное в Британском журнале дерматологии в 2018 году, обнаружило, что зимой – по крайней мере, в северных широтах – выработка филаггрина сокращается и клетки рогового слоя съеживаются под воздействием холода, уменьшая эффективность защиты[19]. Это помогает объяснить, почему экзема обостряется зимой, и исследователи советуют тем, кто в группе риска, использовать в этот период дополнительные смягчающие средства. Около половины людей с тяжелой экземой являются носителями мутантного гена филаггрина, и, хотя это не единственная причина этого комплексного заболевания – в числе других причин находятся внешняя среда и иммунная система – мы знаем, что главным фактором служит дисфункция защитного барьера.
13
Weaire, D., ‘Kelvin’s foam structure: a commentary’, Philosophical Magazine Letters, 88(2), 2008, pp. 91–102
14
Yokouchi, M., Atsugi, T., Van Logtestijn, M., Tanaka, R. J., Kajimura, M., Suematsu, M., Furuse, M., Amagai, M. and Kubo, A., ‘Epidermal cell turnover across tight junctions based on Kelvin’s tetrakaidecahedron cell shape’, Elife, 5, 2016
15
Hanifin, J. M., Reed, M. L. and Eczema Prevalance and Impact Working Group, ‘A population-based survey of eczema prevalence in the United States’, Dermatitis, 18(2), 2007, pp. 82–91
16
Maintz, L. and Novak, N., ‘Getting more and more complex: the pathophysiology of atopic eczema’, European Journal of Dermatology, 17(4), pp. 267–83, 2007
17
Структурный белок кожи, который специфически взаимодействует с промежуточными филаментами – кератинами.
18
Palmer, C. N., Irvine, A. D., Terron-Kwiatkowski, A., Zhao, Y., Liao, H., Lee, S. P., Goudie, D. R., Sandilands, A., Campbell, L. E., Smith, F. J. and O’Regan, G. M., ‘Common loss-of-function variants of the epidermal barrier protein filaggrin are a major predisposing factor for atopic dermatitis’, Nature Genetics, 38(4), 2006
19
Engebretsen, K. A., Kezic, S., Riethmüller, C., Franz, J., Jakasa, I., Hedengran, A., Linneberg, A., Johansen, J. D. and Thyssen, J. P., ‘Changes in filaggrin degradation products and corneocyte surface texture by season’, British Journal of Dermatology, 178(5), 2018, pp. 1143–50