Століттями біологія зосереджувалася на генах як головних архітекторах життя. Проте все більше досліджень показують, що фізика, зокрема механічні сили, відіграє набагато важливішу роль у формуванні організмів, ніж вважалося раніше. Від розвитку ембріонів до розташування пір’я, фізичні процеси не просто підпорядковуються генам, а активно визначають ріст і форму.
За межами генетичного плану
Традиційний погляд на біологію наголошує на хімічних сигналах, викликаних генетичними інструкціями. Однак ця картина часто здавалася неповною. Сучасні методи візуалізації та вимірювання тепер дозволяють вченим спостерігати дію механічних сил, показуючи, як тканини штовхаються, тягнуться та перебудовуються у відповідь на властивості свого матеріалу. Ця зміна в перспективі відроджує інтерес до прегенетичних моделей біології, повторюючи ідеї, вперше висловлені більше століття тому.
У 1917 році Дарсі Томпсон опублікував «Про ріст і форму», підкреслюючи разючу подібність між формами живих організмів і тими, що виникають у неживій матерії. Томпсон стверджував, що фізика також формує нас, теза, яка переживає відродження популярності. Зараз питання полягає не в тому, чи фізика має значення, а в тому, як вона взаємодіє з генетичними інструкціями для формування організмів.
Ефект Марангоні та розвиток ембріона
Яскравим прикладом такої взаємодії є останні дослідження ембріонального розвитку. Команда біофізиків із Франції виявила, що ефект Марангоні – те саме явище, яке викликає «сльози вина» на боці склянки – відповідає за ключовий момент, коли скупчення клітин подовжується і розвиває вісь голова-хвіст.
Ефект Марангоні виникає, коли зустрічаються дві рідини з різним поверхневим натягом. Рідина з більшою напругою притягує іншу, створюючи потік. У випадку ембріональних клітин гени створюють різницю в поверхневому натягу, змушуючи клітини текти та подовжувати організм, що розвивається. Цей механічний процес не замінює генетичні інструкції, а є прямим їх наслідком.
За межами ембріонів: формування пір’я та подовження клітин
Вплив механічних сил поширюється далеко за межі ембріонального розвитку. Дослідники, які вивчають формування пір’я у птахів, виявили, що правильне розташування пір’я продиктовано не лише генетичними ознаками. Натомість гени створюють умови для механічних сил, які визначають розвиток фолікула. Молекулярні сигнали впливають на властивості матеріалу тканини, дозволяючи фізичним силам взяти верх.
Подібним чином дослідження плодів дрозофіли показали, що клітини не просто перегруповуються, вони розтягуються. Це розтягнення безпосередньо пов’язане з активністю генів, які роблять клітини еластичними. Зв’язок між силою та подовженням відповідає закону Гука, принципу, згідно з яким матеріали розтягуються пропорційно прикладеній силі. Час розтягування залежить від кореня квадратного із прикладеної сили, поведінки, пов’язаної з виробництвом білка актину. Блокування продукції актину усуває еластичну відповідь, підтверджуючи її роль у цьому процесі.
Взаємодія ваг
Головне завдання зараз полягає в тому, щоб зрозуміти, як ці сили діють у різних масштабах, від генів до клітин і тканин. Це не проста лінійна прогресія, де молекулярні інструкції диктують властивості високого рівня. Натомість процеси відбуваються разом, і механічні сили відіграють важливу роль на багатьох рівнях.
Ця робота кидає виклик традиційній точці зору, що регуляція відбувається виключно на молекулярному рівні. Наприклад, при розвитку пера зміни відбуваються одночасно як на молекулярному, так і на тканинному рівнях. Це свідчить про те, що біологія — це не лише те, що гени наказують клітинам робити, а й фізичні обмеження та сили, які формують їх поведінку.
Як каже фізик Олександр Кабла, «там, де є рух, швидше за все працює механіка». Зростаюче визнання цього принципу змінює наше розуміння самого життя.
