Per secoli, la biologia si è concentrata sui geni come principali architetti della vita. Ma un crescente numero di ricerche rivela che la fisica, in particolare le forze meccaniche, gioca un ruolo molto più cruciale nel modellare gli organismi di quanto si pensasse in precedenza. Dallo sviluppo degli embrioni alla spaziatura delle piume, i processi fisici non sono solo influenzati dai geni, ma guidano attivamente la crescita e la forma.
Oltre il progetto genetico
La visione tradizionale della biologia enfatizza i segnali chimici innescati da istruzioni genetiche. Tuttavia, questo quadro è spesso apparso incompleto. Le moderne tecniche di imaging e misurazione consentono ora agli scienziati di osservare le forze meccaniche in gioco, rivelando come i tessuti si spingono, si tirano e si riorganizzano in risposta alle proprietà dei materiali. Questo cambiamento di prospettiva sta ravvivando l’interesse per i modelli biologici pregenetici, riecheggiando idee proposte per la prima volta oltre un secolo fa.
Nel 1917, D’Arcy Thompson pubblicò Sulla crescita e la forma, evidenziando le sorprendenti somiglianze tra le forme degli organismi viventi e quelle che emergono nella materia non vivente. Thompson sosteneva che anche la fisica ci modella, una tesi che sta vivendo una rinascita di popolarità. La domanda ora non è se la fisica conta, ma come interagisce con le istruzioni genetiche per scolpire gli organismi.
L’effetto Marangoni e lo sviluppo embrionale
Un esempio lampante di questa interazione viene dalla recente ricerca sullo sviluppo embrionale. Un team di biofisici in Francia ha scoperto che l’effetto Marangoni – lo stesso fenomeno che provoca la formazione di “lacrime di vino” sul lato di un bicchiere – è responsabile del momento cruciale in cui una massa di cellule si allunga e sviluppa un asse testa-coda.
L’effetto Marangoni si verifica quando due liquidi con tensioni superficiali diverse si incontrano. Il liquido con la tensione maggiore tira l’altro, creando un flusso. Nel caso delle cellule embrionali, i geni creano una differenza nella tensione superficiale, facendo sì che le cellule fluiscano e allunghino l’organismo in via di sviluppo. Questo processo meccanico non sostituisce le istruzioni genetiche, ma ne è la diretta conseguenza.
Oltre gli embrioni: formazione delle piume e allungamento cellulare
L’influenza delle forze meccaniche si estende oltre lo sviluppo embrionale. I ricercatori che studiano la formazione delle piume degli uccelli hanno scoperto che la spaziatura regolare delle piume non è dettata solo da segnali genetici. Invece, i geni pongono le basi affinché le forze meccaniche modellino lo sviluppo del follicolo. I segnali molecolari influenzano le proprietà materiali del tessuto, consentendo alle forze fisiche di prendere il sopravvento.
Allo stesso modo, gli studi sugli embrioni del moscerino della frutta hanno dimostrato che le cellule non si limitano a riorganizzarsi; si allungano. Questo allungamento è direttamente attribuibile all’attività genetica che rende elastiche le cellule. La relazione tra forza ed estensione segue la legge di Hooke, il principio secondo cui i materiali si allungano in proporzione alla forza applicata. I tempi dello stiramento dipendono dalla radice quadrata della forza applicata, comportamento legato alla produzione della proteina actina. Il blocco della produzione di actina elimina la risposta elastica, confermando il suo ruolo nel processo.
Il gioco delle scale
La sfida principale ora è capire come queste forze operano su scale diverse, dai geni alle cellule fino ai tessuti. Non è una semplice progressione lineare in cui le istruzioni molecolari dettano proprietà di alto livello. Invece, i processi emergono insieme, e le forze meccaniche svolgono un ruolo critico a più livelli.
Il lavoro sfida la visione tradizionale secondo cui la regolazione emerge esclusivamente dal livello molecolare. Nello sviluppo delle piume, ad esempio, i cambiamenti si verificano simultaneamente sia a livello molecolare che tissutale. Ciò suggerisce che la biologia non riguarda solo ciò che i geni dicono alle cellule di fare, ma anche i vincoli fisici e le forze che modellano il loro comportamento.
Come dice il fisico Alexandre Kabla, “dove c’è movimento, è probabile che sia coinvolta la meccanica”. Il crescente riconoscimento di questo principio sta rimodellando la nostra comprensione della vita stessa
