De originele versie van dit verhaal verscheen erin Quanta-tijdschrift.
Drink een glas wijn en je 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 wijn het gevolg zijn van 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 van invloed zou kunnen zijn op de ontwikkeling van embryo’s.
In maart kwam een groep biofysici naar Frankrijk gemeld dat het Marangoni-effect verantwoordelijk is voor het cruciale moment waarop een homogene klodder cellen zich uitstrekt en een kop-staart-as ontwikkelt – de eerste bepalende kenmerken van het organisme dat het zal worden.
De bevinding maakt deel uit van een trend die de norm in de biologie tart. Doorgaans 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 de groei en ontwikkeling worden gestuurd op een manier 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 de mogelijkheid om live te zien wat er gebeurt, en om de mechanismen te zien in termen van celbeweging, celherschikking en weefselgroei”, zegt 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 pre-genetische 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 stelling – dat ook de natuurkunde ons vormt – komt weer in de mode.
“De hypothese is dat natuurkunde en mechanica ons kunnen helpen de biologie op weefselschaal te begrijpen”, zegt hij Alexandre Kablaeen natuurkundige en ingenieur aan de Universiteit van Cambridge.
De taak is nu om het samenspel van 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 niet nieuw, maar het ontbrak biologen lange tijd aan manieren om deze ideeën te testen. Alleen al het zien van 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 gastruloïden van muizen waar te nemen: bundels stamcellen die, terwijl ze groeien, de vroege stadia van de embryogroei nabootsen.
