Физический эффект, впервые описанный в 1855 году, оказался ключевым механизмом формирования эмбриональных структур — открытие, которое бросает вызов традиционным представлениям о роли исключительно генетических инструкций в развитии организмов.
От слез вина к слезам эмбриона
Когда вы пьете вино из бокала, можно наблюдать характерные «слезы» или «ножки» — струйки жидкости, стекающие по влажным стенкам. В 1855 году Джеймс Томсон, брат лорда Кельвина, объяснил в Philosophical Magazine, что эти винные «слезы» возникают из-за разницы в поверхностном натяжении между алкоголем и водой. «Этот факт объясняет несколько очень любопытных движений», — писал Томсон. Вряд ли он предполагал, что тот же эффект, позже названный эффектом Марангони, может определять развитие эмбрионов.
В марте группа биофизиков из Франции сообщила, что эффект Марангони ответственен за ключевой момент, когда однородная масса клеток вытягивается и формирует ось «голова-хвост» — первые определяющие черты организма.
Механика против химии
Это открытие является частью тренда, бросающего вызов традиционной биологии. Обычно биологи характеризуют рост и развитие как результат химических сигналов, запускаемых генетическими инструкциями. Но эта картина часто оказывается неполной. Исследователи теперь все больше осознают роль механических сил в биологии: сил, которые толкают и тянут ткани в ответ на их материальные свойства, направляя рост и развитие способами, недоступными генам.
Современные методы визуализации и измерения открыли ученым глаза на эти силы, заполнив поле данными, которые приглашают к механическим интерпретациям. «Что изменилось за последние десятилетия — это действительно возможность наблюдать за происходящим в реальном времени и видеть механику в терминах движения клеток, перестройки клеток, роста тканей», — сказал Пьер-Франсуа Ленн из Университета Экс-Марсель, один из исследователей, стоящих за недавним исследованием.
Мы десятилетиями искали сложные генетические программы для объяснения морфогенеза, а ответ оказался в учебнике физики за 1855 год. Это напоминает, что природа часто выбирает самые элегантные и энергоэффективные решения, а не самые сложные.
Возвращение к истокам
Сдвиг в сторону механических объяснений возродил интерес к догенетическим моделям биологии. Например, в 1917 году шотландский биолог, математик и специалист по классике Д’Арси Томпсон опубликовал «О росте и форме», где подчеркивал сходства между формами живых организмов и теми, что возникают в неживой материи. Томпсон написал книгу как противоядие от того, что он считал чрезмерной тенденцией объяснять все через дарвиновский естественный отбор. Его тезис — что физика тоже формирует нас — возвращается в моду.
«Гипотеза состоит в том, что физика и механика могут помочь нам понять биологию на уровне тканей», — сказал Александр Кабла, физик и инженер из Кембриджского университета.
Задача сейчас состоит в том, чтобы понять взаимодействие причин, где гены и физика каким-то образом действуют рука об руку, чтобы лепить организмы.
Расти с потоком
Механические модели роста эмбрионов и тканей не новы, но биологи долгое время не имели способов проверки этих идей. Просто увидеть эмбрионы сложно; они маленькие и рассеивающие, отражающие свет во всех направлениях, как матовое стекло. Но новые методы микроскопии и анализа изображений открыли более четкое окно в развитие.
Ленн и его коллеги применили некоторые из новых техник для наблюдения за движением клеток внутри мышиных гаструлоидов: скоплений стволовых клеток, которые по мере роста имитируют ранние стадии развития эмбриона.
Их наблюдения показали, что клетки поднимаются по сторонам гаструлоида, затем образуют поток ткани, текущий вниз по середине. Для Ленна система напомнила каплю, и, просматривая литературу о поверхностном натяжении в движущейся капле, он наткнулся на эффект Марангони.
Описание эффекта Марангони Джеймсом Томсоном в 1855 году объяснило, как при встрече двух жидкостей с разным поверхностным натяжением жидкость с более высоким поверхностным натяжением будет тянуть другую. Это происходит потому, что поверхностное натяжение — это просто тенденция самых внешних молекул в жидкости притягиваться внутрь соседними молекулами. Когда две жидкости встречаются, жидкость с более высоким натяжением будет иметь более сильное притяжение, поэтому жидкость с меньшим натяжением будет двигаться в направлении жидкости с более высоким натяжением. В бокале для вина алкоголь на влажных сторонах бокала быстро испаряется, оставляя после себя более водянистую жидкость. Вода имеет более высокое поверхностное натяжение, чем алкоголь, поэтому водянистые стороны тянут вино в бокале к вершине увлажненной области. В конце концов оно стекает вниз под собственным весом, образуя «слезы».
Это течение вина вверх по сторонам и снова вниз похоже на течение ткани в гаструлоиде. Действительно, когда команда проверила модель течения ткани гаструлоида типа Марангони, они обнаружили то, что сочли поразительным соответствием с их экспериментальными данными.
По материалам Wired