Отпивая вино, вы заметите, как жидкость непрерывно стекает по влажной стенке бокала. В 1855 году Джеймс Томсон, брат лорда Кельвина, объяснил(открывает новую вкладку) В журнале «Philosophical Magazine» утверждалось, что эти «слёзы» или «ножки» вина возникают из-за разницы поверхностного натяжения спирта и воды. «Этот факт даёт объяснение нескольким весьма любопытным движениям», — писал Томсон. Он и не подозревал, что тот же эффект, позже названный эффектом Марангони, может влиять и на развитие эмбрионов. В марте группа биофизиков во Франции сообщила(открывает новую вкладку) что эффект Марангони отвечает за поворотный момент, когда однородный сгусток клеток удлиняется и развивает ось «голова и хвост» — первые определяющие черты организма, которым он станет. Это открытие является частью тенденции, которая бросает вызов общепринятым в биологии. Обычно биологи пытаются охарактеризовать рост, развитие и другие биологические процессы как результат химических сигналов, запускаемых генетическими инструкциями. Но эта картина часто казалась неполной.
Исследователи всё больше осознают роль механических сил в биологии: сил, которые толкают и тянут ткани в ответ на их материальные свойства, управляя ростом и развитием способами, недоступными генам. Современные методы визуализации и измерения открыли учёным глаза на эти силы, наполнив область данных, которые позволяют проводить механистическую интерпретацию. «Что действительно изменилось за последние десятилетия, так это возможность наблюдать за происходящим вживую и понимать механику процессов с точки зрения движения клеток, их перегруппировки и роста тканей», — сказал Пьер-Франсуа Ленн.(открывает новую вкладку)из Университета Экс-Марсель, один из исследователей, стоящих за недавним исследованием. Переход к механистическим объяснениям возродил интерес к догенетическим моделям биологии. Например, в 1917 году шотландский биолог, математик и исследователь античности Д’Арси Томпсон опубликовал работу « О росте и форме» , в которой подчёркивал сходство между формами, наблюдаемыми у живых организмов, и формами, возникающими в неживой материи. Томпсон написал эту книгу как противоядие от, по его мнению, чрезмерной тенденции объяснять всё в терминах дарвиновского естественного отбора. Его тезис о том, что физика также формирует нас, снова входит в моду.
Покадровая съемка гаструлоида, развивающего ось от головы к хвосту. © Шам Тлили/CNRS
«Гипотеза заключается в том, что физика и механика могут помочь нам понять биологию на уровне тканей», — сказал Александр Кабла.(открывает новую вкладку), физик и инженер из Кембриджского университета. Теперь задача состоит в том, чтобы понять взаимодействие причин, где гены и физика каким-то образом действуют рука об руку, формируя организмы.
Расти по течению
Механические модели роста эмбрионов и тканей не новы, но у биологов долгое время не было способов проверить эти идеи. Увидеть эмбрионы сложно: они малы и рассеивают свет во всех направлениях, словно матовое стекло. Однако новые методы микроскопии и анализа изображений открыли более чёткое представление о развитии. Ленн и его коллеги применили некоторые из новых методов для наблюдения за движением клеток внутри гаструлоидов мышей: пучков стволовых клеток, которые по мере своего роста имитируют ранние стадии роста эмбриона.
Шам Тлили (слева), Пьер-Франсуа Ленн (справа) и их коллеги из Университета Экс-Марсель Саймон Гзелл и Маттиас Меркель раскрыли закономерность течения, подобную Марангони, которая наблюдается на ранних стадиях эмбриогенеза. С разрешения Пьера Франсуа Ленна
Их наблюдения показали, что клетки поднимаются по бокам гаструлоида, а затем формируют поток ткани, текущий по центру. Ленне эта система напомнила ему каплю, и, изучая литературу о поверхностном натяжении в движущейся капле, он наткнулся на эффект Марангони. Описание эффекта Марангони Джеймсом Томсоном в 1855 году объясняло, как при встрече двух жидкостей с разным поверхностным натяжением жидкость с более высоким поверхностным натяжением будет притягивать другую. Это происходит потому, что поверхностное натяжение — это всего лишь тенденция самых внешних молекул в жидкости втягиваться внутрь соседними молекулами. Когда встречаются две жидкости, жидкость с более высоким поверхностным натяжением будет иметь более сильное притяжение, поэтому жидкость с более низким натяжением будет двигаться в направлении жидкости с более высоким натяжением. В бокале для вина спирт на смоченных стенках бокала быстро испаряется, оставляя более водянистую жидкость. Вода имеет более высокое поверхностное натяжение, чем спирт, поэтому водянистые стенки тянут вино в бокале к верхней части смоченной области. В конце концов оно капает вниз под собственным весом, образуя «слезы». Этот поток вина вверх по стенкам и обратно вниз аналогичен потоку ткани в гаструлоиде. Действительно, когда команда протестировала модель потока ткани гаструлоида по типу Марангони, они обнаружили, по их мнению, поразительное совпадение с их экспериментальными данными.
Марк Белан / Журнал Quanta; Источник: Пьер-Франсуа Ленн.
Течение Марангони — это механический эффект, но гены тоже участвуют: они устанавливают разницу поверхностного натяжения. Сначала гены производят более высокую концентрацию двух определенных белков в одной части капли клеток. Эти белки приводят к более низкому поверхностному натяжению, и поэтому ткань оттекает от этой области. Ткань движется по периферии гаструлоида, прежде чем рециркулировать по его центру — точно так же, как винные слезы стекают обратно по стенке бокала. Этот процесс удлиняет гаструлоид. Это «очень хороший пример того, как механика в сочетании со всей внутренней сложностью молекулярной и клеточной биологии играет очень важную роль в формировании организмов», — сказал Кабла.
Чешуя пера
В 2017 году Алан Родригес(открывает новую вкладку) и Эми Шайер(открывает новую вкладку) Но они не смогли найти то, что искали. Эти двое, соруководители Лаборатории морфогенеза Рокфеллеровского университета, пытались понять, как формируется равномерное расположение перьев у птиц. В то время была популярна теория, согласно которой эмбрионы птиц выделяют в кожные ткани особые молекулы, называемые морфогенами. Эти морфогены затем запускают гены, вырабатывающие белки в нужных местах для формирования фолликулов. Однако исследователи не смогли найти никакого генетического сигнала, который мог бы запустить этот процесс.
Они пришли к выводу, что значительную роль играют механические и растягивающие силы. В отчёте журнала Science за 2023 год(открывает новую вкладку) Их команда обнаружила, что морфогены действительно секретируются непосредственно перед началом формирования перьевого фолликула. Однако, по-видимому, морфогены не влияли на развитие на уровне отдельных клеток. Вместо этого они влияли на более крупные участки ткани. Морфогены влияли на свойства материала ткани, создавая условия для механических сил, толкающих и растягивающих ткань для формирования фолликула.
«Нас действительно поразило то, что можно обойтись относительно простым набором инструкций на генетическом и молекулярном уровне, — сказал Родригес. — Потому что на других уровнях происходят дополнительные процессы и возникают новые свойства». Для Родригеса главный вопрос заключается в том, как различные процессы взаимодействуют на разных уровнях длины, от генов до клеток и тканей. Дело не в том, что всё начинается с самых малых масштабов и развивается оттуда. В случае развития перьевых фолликулов птиц изменения на молекулярном и тканевом уровнях возникают одновременно. Работа «бросает вызов общепринятому представлению во многих областях биологии», — сказал Родригес, — «о том, что регуляция или причинно-следственная связь возникают на молекулярном уровне, а затем распространяются на более высокие уровни, определяя такие высокоуровневые свойства, как форма».
Приступая к действию
Некоторые белки действительно влияют на свойства материала внутри отдельных клеток, создавая условия для действия механических сил и на этом уровне. Например, во время эмбриогенеза плодовой мушки клетки эмбриона не просто перестраиваются; Кабла и его соавторы обнаружили, что клетки также растягиваются. Это растяжение, по-видимому, напрямую связано с активностью генов, что приводит к любопытной характеристике эластичности клеток. Возьмём пружину или эластичный материал, например, резинку. Материал будет растягиваться пропорционально приложенной силе. Это соотношение известно как закон Гука и справедливо в общем случае. За исключением случаев, когда растягиваемый объект находится в вязкой жидкости, в этом случае величина растяжения также зависит от времени. (Вспомните перемешивание патоки: её трудно перемешивать быстро.)
Рисунки из книги Д’Арси Томпсона 1917 года « О росте и форме» . Общественное достояние
Биологические организмы, по-видимому, также подвержены этой зависимости от времени. Несколько групп исследователей измерили растяжение некоторых клеток эмбриона плодовой мушки и обнаружили, что их удлинение зависит от квадратного корня времени приложения силы. Возникает вопрос: откуда берётся такое поведение?
В статье в Physical Review Letters(открывает новую вкладку) В июне Константин Дубровинский и его коллеги из Юго-Западного медицинского центра Техасского университета объяснили это явление выработкой актина, одного из самых распространённых белков в этих клетках. Они предполагают, что актиновые филаменты при выработке эффективно растягивают клетку подобно пружинам, создавая сопротивление силе, растягивающей клетки, и обуславливая наблюдаемое поведение. Дубровинский и его команда подтвердили роль актина, повторив эксперимент с препаратами, препятствующими сборке актинового белка. «По сути, упругий ответ практически полностью исчезает», — сказал он. Кабла говорит, что, хотя исследование убедительно доказывает, дискуссия о растягивающемся поведении продолжается. Он отмечает, что одна из задач биологии — выяснить, что является причиной, и является ли данное явление ключевым фактором изменений, способствующим фактором или незначительным следствием. Эти вопросы перекликаются с аналогичными дебатами(открывает новую вкладку) о биологическом значении геометрических сходств, каталогизированных Д’Арси Томпсоном более 100 лет назад. Однако центральный аргумент Томпсона о том, что эти геометрические формы являются результатом действия физических сил, выдерживает современную критику. «Многим из нас, — сказал Кабла, — кажется естественным, что там, где есть движение, скорее всего, задействована механика».
фото: Марк Белан и Майкл Каньянголо/ Журнал Quanta
источник: https://www.quantamagazine.org/genes-have-harnessed-physics-to-help-grow-living-things-20251010/