Przez stulecia biologia skupiała się na genach jako głównych architektach życia. Jednak coraz większa liczba badań sugeruje, że fizyka – w szczególności siły mechaniczne – odgrywa znacznie ważniejszą rolę w powstawaniu organizmów, niż wcześniej sądzono. Od rozwoju zarodków po układ piór, procesy fizyczne nie są po prostu podporządkowane genom, ale aktywnie determinują wzrost i kształt.
Poza planem genetycznym
Tradycyjny pogląd na biologię kładzie nacisk na sygnały chemiczne wyzwalane przez instrukcje genetyczne. Jednak obraz ten często wydawał się niekompletny. Nowoczesne techniki obrazowania i pomiarów umożliwiają obecnie naukowcom obserwację sił mechanicznych w działaniu, pokazując, w jaki sposób tkanki pchają, ciągną i przestawiają się w odpowiedzi na ich właściwości materiałowe. Ta zmiana perspektywy ożywia zainteresowanie pregenetycznymi modelami biologii, nawiązując do idei zaproponowanych po raz pierwszy ponad sto lat temu.
W 1917 roku Darcy Thompson opublikował książkę O wzroście i formie, podkreślając uderzające podobieństwa między formami w organizmach żywych i formami powstającymi w materii nieożywionej. Thompson argumentował, że fizyka również nas kształtuje, a teza ta przeżywa renesans. Pytaniem nie jest teraz, czy fizyka ma znaczenie, ale jak współdziała ona z instrukcjami genetycznymi, kształtując organizmy.
Efekt Marangoni i rozwój zarodka
Uderzający przykład tej interakcji pochodzi z ostatnich badań rozwoju embrionalnego. Zespół biofizyków z Francji odkrył, że efekt Marangoniego – to samo zjawisko, które powoduje „łzy wina” na ściance kieliszka – jest odpowiedzialny za kluczowy moment, w którym zlepek komórek wydłuża się i rozwija oś głowa-ogon.
Efekt Marangoniego występuje, gdy spotykają się dwie ciecze o różnych napięciach powierzchniowych. Płyn o wyższym napięciu przyciąga inny, tworząc przepływ. W przypadku komórek embrionalnych geny powodują różnice w napięciu powierzchniowym, powodując przepływ komórek i wydłużanie rozwijającego się organizmu. Ten mechaniczny proces nie zastępuje instrukcji genetycznych, ale jest ich bezpośrednią konsekwencją.
Poza embrionami: tworzenie się piór i wydłużanie komórek
Wpływ sił mechanicznych wykracza daleko poza rozwój embrionalny. Naukowcy badający powstawanie piór u ptaków odkryli, że regularne ułożenie piór jest podyktowane czymś więcej niż tylko czynnikami genetycznymi. Zamiast tego geny tworzą warunki dla sił mechanicznych, które determinują rozwój pęcherzyków. Sygnały molekularne wpływają na właściwości materialne tkanki, umożliwiając przejęcie władzy przez siły fizyczne.
Podobnie badania owoców Drosophila wykazały, że komórki nie tylko przestawiają się, ale rozciągają się. To rozciąganie jest bezpośrednio związane z aktywnością genów odpowiedzialnych za elastyczność komórek. Związek między siłą a wydłużeniem jest zgodny z prawem Hooke’a, zasadą mówiącą, że materiały rozciągają się proporcjonalnie do przyłożonej siły. Czas rozciągania zależy od pierwiastka kwadratowego przyłożonej siły, zachowania związanego z produkcją aktyny białkowej. Blokowanie produkcji aktyny eliminuje reakcję elastyczną, potwierdzając jej rolę w tym procesie.
Interakcja skal
Głównym wyzwaniem jest obecnie zrozumienie, jak te siły działają w różnych skalach, od genów, przez komórki, aż po tkanki. Nie jest to prosty postęp liniowy, w którym instrukcje molekularne dyktują właściwości wysokiego poziomu. Zamiast tego procesy zachodzą razem, a siły mechaniczne odgrywają ważną rolę na wielu poziomach.
Praca ta podważa tradycyjny pogląd, że regulacja zachodzi wyłącznie na poziomie molekularnym. Na przykład w rozwoju piór zmiany zachodzą jednocześnie na poziomie molekularnym i tkankowym. Sugeruje to, że biologia nie polega tylko na tym, co geny nakazują komórkom, ale także na fizycznych ograniczeniach i siłach, które kształtują ich zachowanie.
Jak mówi fizyk Alexander Kabla: „Tam, gdzie jest ruch, prawdopodobnie działa mechanika”. Rosnące uznanie tej zasady zmienia nasze rozumienie samego życia.
