Originele versie van dit verhaal verscheen erin Kuanta-tijdschrift.
Drink een glas wijn en je zult merken dat de vloeistof voortdurend langs de natte kant van het glas stroomt. In 1855, James Thomson, de broer van Lord Kelvin, uitleggen in Filosofie tijdschrift dat deze “scheuren” of “poten” van de wijn worden veroorzaakt door het verschil in oppervlaktespanning tussen de alcohol en het water. “Dit feit biedt een verklaring voor enkele zeer vreemde bewegingen”, schreef Thomson. Hij realiseerde zich niet dat hetzelfde effect, later het Marangoni-effect genoemd, ook de embryonale ontwikkeling zou kunnen beïnvloeden.
In maart kwam een groep biofysici naar Frankrijk gemeld dat het Marangoni-effect verantwoordelijk is voor het cruciale moment waarop een homogene klomp cellen zich uitbreidt en een kop-staart-as ontwikkelt – het eerste kenmerk dat bepaalt wat het organisme zal worden.
De bevindingen maken deel uit van een trend die indruist tegen de norm in de biologie. Normaal gesproken proberen biologen groei, ontwikkeling en andere biologische processen te karakteriseren als het resultaat van chemische signalen die worden veroorzaakt door genetische instructies. Maar het beeld lijkt vaak onvolledig. Onderzoekers waarderen nu steeds meer de rol van mechanische krachten in de biologie: krachten die weefsel duwen en trekken als reactie op de eigenschappen van het materiaal, waardoor de groei en ontwikkeling worden gestuurd op een manier die genen niet kunnen.
Moderne beeld- en meettechnieken hebben de ogen van wetenschappers voor deze krachten geopend door het veld te overspoelen met gegevens die mechanische interpretatie uitnodigen. “Wat de afgelopen decennia is veranderd, is de mogelijkheid om direct te zien wat er gebeurt, en om de mechanismen van celbeweging, celherschikking en weefselgroei te zien”, zegt Dr. Pierre-François Lenne van de Universiteit van Aix Marseille, een van de onderzoekers achter dit nieuwste onderzoek.
De verschuiving naar mechanistische verklaringen heeft de belangstelling voor pre-genetische biologiemodellen nieuw leven ingeblazen. In 1917 publiceerde de Schotse bioloog, wiskundige en klassieke geleerde D’Arcy Thompson bijvoorbeeld Over groei en vormwaarin de overeenkomsten worden benadrukt tussen de vormen die bij levende organismen voorkomen en de vormen die in levenloze objecten voorkomen. Thompson schreef dit boek als tegengif voor wat hij zag als een buitensporige neiging om alles te verklaren in termen van darwinistische natuurlijke selectie. Zijn stelling – dat de natuurkunde ons ook vormt – maakt een comeback.
De hypothese is dat natuurkunde en mechanica ons kunnen helpen de biologie op weefselschaal te begrijpen, zei hij Alexandre Kablaeen natuurkundige en ingenieur aan de Universiteit van Cambridge.
De taak is nu om de interacties van oorzaken te begrijpen, waarbij genen en natuurkunde samenwerken om organismen te vormen.
Groei mee met de stroom
Mechanische modellen van embryo- en weefselgroei zijn niet nieuw, maar biologen hebben deze ideeën lange tijd niet kunnen testen. Alleen al naar het embryo kijken is moeilijk; ze zijn klein en diffuus en reflecteren licht in alle richtingen, net als matglas. Maar nieuwe microscopie- en beeldanalysetechnieken hebben duidelijkere ontwikkelingsmogelijkheden geopend.
Lenne en zijn collega’s pasten verschillende nieuwe technieken toe om de beweging van cellen in gasstruloïden van muizen te observeren: verzamelingen stamcellen die, terwijl ze groeien, de vroege stadia van de embryonale ontwikkeling nabootsen.
