De originele versie Van dit verhaal verscheen erin Quanta-tijdschrift.
Drink een glas wijn en u zult merken dat er voortdurend vloeistof langs de natte kant van het glas druppelt. In 1855, James Thomson, de broer van Lord Kelvin, uitgelegd In de Filosofisch tijdschrift dat deze ‘tranen’ of ‘poten’ van de wijn voortkomen uit het verschil in oppervlaktespanning tussen alcohol en water. “Dit feit biedt een verklaring voor verschillende zeer merkwaardige bewegingen”, schreef Thomson. Hij realiseerde zich niet dat hetzelfde effect, later het Marangoni-effect genoemd, ook de ontwikkeling van embryo’s zou kunnen beïnvloeden.
In maart kwam een groep biofysici naar Frankrijk gemeld dat het Marangoni-effect verantwoordelijk is voor het cruciale moment waarop een homogene massa cellen zich uitstrekt en een kop-staart-as ontwikkelt: de eerste onderscheidende kenmerken van het organisme dat het zal worden.
De ontdekking maakt deel uit van een trend die de norm in de biologie uitdaagt. Normaal gesproken proberen biologen groei, ontwikkeling en andere biologische processen te karakteriseren als het resultaat van chemische signalen die worden veroorzaakt door genetische instructies. Maar dat beeld leek vaak onvolledig. Onderzoekers waarderen nu steeds meer de rol van mechanische krachten in de biologie: krachten die weefsels duwen en trekken als reactie op hun materiële eigenschappen, waardoor groei en ontwikkeling worden gestimuleerd op manieren die genen niet kunnen.
Moderne beeld- en meettechnieken hebben de ogen van wetenschappers voor deze krachten geopend door het veld te overspoelen met gegevens die mechanische interpretaties uitnodigen. “Wat er de afgelopen decennia is veranderd, is eigenlijk het vermogen om live te observeren wat er gebeurt en de mechanismen te zien in termen van celbeweging, celherschikking en weefselgroei”, zei hij. Pierre-François Lenne van de Universiteit van Aix Marseille, een van de onderzoekers achter het recente onderzoek.
De verschuiving naar mechanische verklaringen heeft de belangstelling voor pregenetische biologiemodellen nieuw leven ingeblazen. In 1917 publiceerde de Schotse bioloog, wiskundige en klassiekergeleerde D’Arcy Thompson bijvoorbeeld Over groei en vormwaarin overeenkomsten werden benadrukt tussen de vormen die worden aangetroffen bij levende organismen en de vormen die voorkomen in niet-levende materie. Thompson schreef het boek als tegengif voor wat hij beschouwde als een buitensporige neiging om alles te verklaren in termen van darwinistische natuurlijke selectie. Zijn proefschrift – volgens welke de natuurkunde ons ook vormt – komt weer in de mode.
“De hypothese is dat natuurkunde en mechanica ons kunnen helpen de biologie op weefselschaal te begrijpen,” zei hij Alessandro Kablanatuurkundige en ingenieur van de Universiteit van Cambridge.
De taak is nu om de interactie tussen oorzaken te begrijpen, waarbij genen en natuurkunde op de een of andere manier hand in hand werken om organismen vorm te geven.
Groei mee met de stroom
Mechanische modellen van embryo- en weefselgroei zijn niets nieuws, maar biologen hebben lange tijd geen methoden gehad om deze ideeën te testen. Zelfs alleen al het zien van de embryo’s is moeilijk; ze zijn klein en diffuus en laten het licht in alle richtingen weerkaatsen, net als matglas. Maar nieuwe microscopie- en beeldanalysetechnieken hebben een duidelijker venster op de ontwikkeling geopend.
Lenne en zijn collega’s pasten enkele van de nieuwe technieken toe om de beweging van cellen in de gastruloïden van de muis te observeren: bundels stamcellen die, terwijl ze groeien, de vroege stadia van de embryogroei nabootsen.
