На протяжении веков биология фокусировалась на генах как на главных архитекторах жизни. Однако растущее число исследований показывает, что физика — в частности, механические силы — играет гораздо более важную роль в формировании организмов, чем считалось ранее. От развития эмбрионов до расположения перьев, физические процессы не просто подчиняются генам, но активно определяют рост и форму.
За пределами генетического чертежа
Традиционный взгляд на биологию подчеркивает химические сигналы, запускаемые генетическими инструкциями. Однако эта картина часто казалась неполной. Современные методы визуализации и измерения теперь позволяют ученым наблюдать механические силы в действии, показывая, как ткани толкают, тянут и перестраивают себя в ответ на свои материальные свойства. Этот сдвиг в перспективе возрождает интерес к предгенетическим моделям биологии, перекликаясь с идеями, впервые предложенными более века назад.
В 1917 году Дарси Томпсон опубликовал О росте и форме, подчеркнув поразительное сходство между формами в живых организмах и теми, что возникают в неживой материи. Томпсон утверждал, что физика тоже формирует нас, тезис, который переживает возрождение популярности. Вопрос теперь не в том, имеет ли значение физика, а в том, как она взаимодействует с генетическими инструкциями, чтобы формировать организмы.
Эффект Марангони и развитие эмбриона
Яркий пример этого взаимодействия приходит из недавних исследований развития эмбриона. Команда биофизиков во Франции обнаружила, что эффект Марангони — то же явление, которое вызывает «слезы вина» на стенках бокала — отвечает за ключевой момент, когда сгусток клеток удлиняется и развивает ось голова-хвост.
Эффект Марангони возникает, когда встречаются две жидкости с разным поверхностным натяжением. Жидкость с более высоким натяжением притягивает другую, создавая поток. В случае эмбриональных клеток гены создают разницу в поверхностном натяжении, заставляя клетки течь и удлинять развивающийся организм. Этот механический процесс не заменяет генетические инструкции, а является прямым их следствием.
За пределами эмбрионов: формирование перьев и растяжение клеток
Влияние механических сил простирается далеко за пределы развития эмбриона. Исследователи, изучающие формирование перьев у птиц, обнаружили, что регулярное расположение перьев диктуется не только генетическими сигналами. Вместо этого гены создают условия для механических сил, которые определяют развитие фолликулов. Молекулярные сигналы влияют на материальные свойства ткани, позволяя физическим силам взять верх.
Аналогично, исследования плодов дрозофилы показали, что клетки не просто перестраиваются, они растягиваются. Это растяжение напрямую связано с активностью генов, которые делают клетки эластичными. Зависимость между силой и удлинением следует закону Гука — принципу, согласно которому материалы растягиваются пропорционально приложенной силе. Время растяжения зависит от квадратного корня приложенной силы, поведение, связанное с производством белка актина. Блокирование производства актина устраняет эластичный отклик, подтверждая его роль в процессе.
Взаимодействие масштабов
Главная задача сейчас — понять, как эти силы действуют на разных масштабах, от генов до клеток до тканей. Это не простой линейный прогресс, где молекулярные инструкции диктуют свойства высокого уровня. Вместо этого процессы возникают вместе, и механические силы играют важную роль на нескольких уровнях.
Эта работа бросает вызов традиционному мнению о том, что регуляция возникает исключительно на молекулярном уровне. Например, в развитии перьев изменения происходят одновременно как на молекулярном, так и на тканевом уровнях. Это говорит о том, что биология — это не только то, что гены говорят клеткам делать, но и физические ограничения и силы, которые формируют их поведение.
Как говорит физик Александр Кабла, «где есть движение, механика, вероятно, задействована». Растущее признание этого принципа меняет наше понимание самой жизни.
