Eeuwenlang heeft de biologie zich geconcentreerd op genen als de belangrijkste architecten van het leven. Maar uit een groeiend aantal onderzoeken blijkt dat de natuurkunde – en met name de mechanische krachten – een veel crucialere rol speelt bij het vormgeven van organismen dan tot nu toe werd aangenomen. Van de ontwikkeling van embryo’s tot de afstand tussen de veren: fysieke processen worden niet alleen beïnvloed door genen, maar drijven actief de groei en vorm aan.
Voorbij de genetische blauwdruk
De traditionele kijk op biologie legt de nadruk op chemische signalen die worden veroorzaakt door genetische instructies. Dit beeld voelde echter vaak onvolledig. Moderne beeld- en meettechnieken stellen wetenschappers nu in staat de mechanische krachten die een rol spelen te observeren, waardoor wordt onthuld hoe weefsels zichzelf duwen, trekken en herschikken als reactie op hun materiaaleigenschappen. Deze verschuiving in perspectief doet de belangstelling voor pre-genetische biologiemodellen herleven, in navolging van ideeën die meer dan een eeuw geleden voor het eerst werden voorgesteld.
In 1917 publiceerde D’Arcy Thompson On Growth and Form, waarin hij de opvallende overeenkomsten benadrukte tussen vormen in levende organismen en vormen die voorkomen in niet-levende materie. Thompson betoogde dat ook de natuurkunde ons vormt, een stelling die een opleving in populariteit beleeft. De vraag is nu niet of natuurkunde ertoe doet, maar hoe deze in wisselwerking staat met genetische instructies om organismen vorm te geven.
Het Marangoni-effect en de embryonale ontwikkeling
Een treffend voorbeeld van deze wisselwerking komt uit recent onderzoek naar de embryonale ontwikkeling. Een team van biofysici in Frankrijk ontdekte dat het Marangoni-effect – hetzelfde fenomeen dat de vorming van ‘wijntranen’ aan de zijkant van een glas veroorzaakt – verantwoordelijk is voor het cruciale moment waarop een klodder cellen zich uitbreidt en een kop-staart-as ontwikkelt.
Het Marangoni-effect treedt op wanneer twee vloeistoffen met verschillende oppervlaktespanningen elkaar ontmoeten. De vloeistof met hogere spanning trekt aan de ander, waardoor er een stroming ontstaat. In het geval van embryonale cellen creëren genen een verschil in oppervlaktespanning, waardoor cellen gaan stromen en het zich ontwikkelende organisme langer wordt. Dit mechanische proces is geen vervanging voor genetische instructies, maar een direct gevolg daarvan.
Voorbij embryo’s: verenvorming en cellulaire stretching
De invloed van mechanische krachten reikt verder dan de embryonale ontwikkeling. Onderzoekers die de vorming van vogelveren bestudeerden, ontdekten dat de regelmatige afstand tussen de veren niet alleen door genetische signalen wordt bepaald. In plaats daarvan vormen genen het toneel voor mechanische krachten die de ontwikkeling van follikels bepalen. De moleculaire signalen beïnvloeden de materiaaleigenschappen van het weefsel, waardoor fysieke krachten de overhand kunnen krijgen.
Op dezelfde manier hebben onderzoeken met fruitvliegembryo’s aangetoond dat cellen zichzelf niet alleen herschikken; ze strekken zich uit. Dit uitrekken is rechtstreeks toe te schrijven aan genactiviteit die cellen elastisch maakt. De relatie tussen kracht en verlenging volgt de wet van Hooke: het principe dat materialen uitrekken in verhouding tot de uitgeoefende kracht. De timing van het strekken hangt af van de vierkantswortel van de uitgeoefende kracht, een gedrag dat verband houdt met de productie van het eiwit actine. Het blokkeren van de actineproductie elimineert de elastische respons, wat de rol ervan in het proces bevestigt.
Het samenspel van schalen
De belangrijkste uitdaging is nu om te begrijpen hoe deze krachten op verschillende schaalniveaus werken, van genen tot cellen en weefsels. Het is geen eenvoudige lineaire progressie waarbij moleculaire instructies eigenschappen op hoog niveau dicteren. In plaats daarvan ontstaan processen samen, waarbij mechanische krachten op meerdere niveaus een cruciale rol spelen.
Het werk daagt de traditionele opvatting uit dat regulering uitsluitend op moleculair niveau voortkomt. Bij de ontwikkeling van veren vinden bijvoorbeeld gelijktijdig veranderingen plaats op zowel moleculair als weefselniveau. Dit suggereert dat biologie niet alleen gaat over wat genen cellen vertellen te doen, maar over de fysieke beperkingen en krachten die hun gedrag bepalen.
Zoals natuurkundige Alexandre Kabla het stelt: “Waar beweging is, is de kans groot dat er mechanica in het spel is.” De groeiende erkenning van dit principe verandert ons begrip van het leven zelf
