Po staletí se biologie soustředila na geny jako na hlavní architekty života. Rostoucí množství výzkumů však naznačuje, že fyzika – zejména mechanické síly – hraje při formování organismů mnohem důležitější roli, než se dříve myslelo. Od vývoje embryí až po uspořádání peří nejsou fyzikální procesy jednoduše podřízeny genům, ale aktivně určují růst a tvar.
Za genetickým plánem
Tradiční pohled na biologii zdůrazňuje chemické signály spouštěné genetickými instrukcemi. Tento obrázek se však často zdál neúplný. Moderní zobrazovací a měřicí techniky nyní vědcům umožňují pozorovat mechanické síly v akci a ukazují, jak se tkáně tlačí, tahají a přeskupují v reakci na jejich materiálové vlastnosti. Tento posun v perspektivě oživuje zájem o pregenetické modely biologie a odráží myšlenky, které byly poprvé navrženy před více než stoletím.
V roce 1917 publikoval Darcy Thompson knihu O růstu a formě, která zdůraznila pozoruhodné podobnosti mezi formami v živých organismech a formami vznikajícími v neživé hmotě. Thompson tvrdil, že fyzika nás také formuje, což je teze, která zažívá oživení v popularitě. Otázkou nyní není zda na fyzice záleží, ale jak interaguje s genetickými instrukcemi při formování organismů.
Marangoni efekt a vývoj embrya
Pozoruhodný příklad této interakce pochází z nedávných studií embryonálního vývoje. Tým biofyziků ve Francii zjistil, že Marangoniho efekt – stejný jev, který způsobuje „slzy vína“ na straně sklenice – je zodpovědný za klíčový okamžik, kdy se shluk buněk prodlužuje a vytváří osu hlava-ocas.
Marangoniho efekt nastává, když se setkají dvě kapaliny s různým povrchovým napětím. Tekutina s vyšším napětím přitahuje jinou a vytváří tok. V případě embryonálních buněk geny vytvářejí rozdíly v povrchovém napětí, což způsobuje, že buňky proudí a prodlužují vyvíjející se organismus. Tento mechanický proces nenahrazuje genetické instrukce, ale je jejich přímým důsledkem.
Mimo embrya: Tvorba peří a prodlužování buněk
Vliv mechanických sil sahá daleko za embryonální vývoj. Vědci studující tvorbu peří u ptáků zjistili, že pravidelné uspořádání peří je diktováno více než jen genetickými podněty. Místo toho geny vytvářejí podmínky pro mechanické síly, které určují vývoj folikulu. Molekulární signály ovlivňují materiálové vlastnosti tkáně a umožňují převzít fyzikální síly.
Stejně tak studie plodů Drosophila ukázaly, že buňky se nejen přeskupují, ale roztahují. Toto protahování přímo souvisí s aktivitou genů, které činí buňky elastickými. Vztah mezi silou a prodloužením se řídí Hookovým zákonem, principem, že se materiály natahují úměrně k použité síle. Doba natahování závisí na druhé odmocnině použité síly, což je chování spojené s produkcí proteinu aktinu. Blokování produkce aktinu eliminuje elastickou odezvu, což potvrzuje jeho roli v procesu.
Interakce vah
Hlavním úkolem je nyní pochopit, jak tyto síly fungují v různých měřítcích, od genů přes buňky až po tkáně. Toto není jednoduchý lineární postup, kde molekulární instrukce diktují vlastnosti na vysoké úrovni. Místo toho procesy probíhají společně a mechanické síly hrají důležitou roli na více úrovních.
Tato práce zpochybňuje tradiční názor, že regulace probíhá výhradně na molekulární úrovni. Například při vývoji peří dochází ke změnám současně na molekulární i tkáňové úrovni. To naznačuje, že biologie není jen o tom, co geny buňkám říkají, aby dělaly, ale také o fyzických omezeních a silách, které utvářejí jejich chování.
Jak říká fyzik Alexander Kabla: “Tam, kde je pohyb, tam pravděpodobně funguje mechanika.” Rostoucí uznání tohoto principu mění naše chápání života samotného.
