A bor könnye és az embriók formálása
Francia biológusok kimutatták, hogy az úgynevezett Marangoni-hatás – amely a borcseppek mozgásáért is felelős – döntő szerepet játszik abban a pillanatban, amikor egy sejthalmaz megnyúlik, és kialakul benne egy fej-farok tengely az embrionális fejlődés korai szakaszában. Ez a felismerés megingatja azt a hagyományos nézetet, miszerint az élőlények formája kizárólag a gének utasításai alapján, pusztán kémiai jelek hatására alakul ki.
Külön figyelmet érdemel, hogy a fejlődő szövetek alakját mechanikai erők – húzó és toló mozgások – is befolyásolják, amelyek a sejtek belső tulajdonságaira, sűrűségére és összetételére reagálnak. Mindez azt jelenti, hogy a gének és a fizika közösen formálják az élő rendszereket. Modern képalkotó eljárások lehetővé tették, hogy élőben, akár mozgás közben kövessük a sejtek viselkedését és a velük járó fizikai erőket.
Szemmel láthatóvá vált a fejlődés
A kutatók egér-gasztruloidokat vizsgálva – ezek olyan őssejtekből álló sejthalmazok, amelyek az embrió korai fejlődési stádiumát utánozzák – azt figyelték meg, hogy a sejtek a halmaz peremén felfelé áramlanak, majd középen lefelé, létrehozva egy keringést. Ezt az áramlást a Marangoni-effektushoz hasonló felszíni feszültségkülönbség okozza: a gének egy adott ponton fokozottan termeltetnek két fehérjét, amelyek ott csökkentik a sejtek közötti felszíni feszültséget. Ennek hatására a szövet ebből a régióból kifelé áramlik, majd a perem mentén vissza, végül a középpontban lefelé, ahogyan a bor könnycseppje is lemászik a pohár oldalán.
Mindazonáltal maga a mechanikai hatás kevés lenne a gének szabályozó szerepe nélkül – a kettő összjátéka hozza létre végül az élő szervezet meghatározó alakját.
Tollak, pikkelyek, szövetek
A mechanikai erők jelentőségét máshol is igazolták. A Rockefeller Egyetemen kutatók a madártollak szabályos mintázatának eredetét vizsgálták. Korábban úgy vélték, hogy a sejtek által kibocsátott, morfogén nevű molekulák indítják be a megfelelő helyen a géneket, hogy tollkezdemények nőjenek. Ám a kutatóknak nem sikerült genetikai jelet találni, ami elindítaná a folyamatot. Ehelyett rájöttek: a morfogének nem közvetlenül a sejtekhez szólnak, hanem nagyobb szövettömbökre hatnak, amelyek tulajdonságait – például rugalmasságát – befolyásolják. Ez előkészíti a terepet a mechanikai húzó és nyomó erők számára, amelyek végül meghatározzák a tollak elhelyezkedését.
Mindez arra utal, hogy az élőlények fejlődésének irányítása nem kizárólag a gének szintjén dől el, hanem a gének, sejtek és szövetek közötti, többszintű, szoros együttműködés eredménye.
Belső rugók: amikor a sejtek maguk is rugalmasak
A mechanikai erők még sejtszinten is működnek. Például a gyümölcslégy embriójában a sejtek nemcsak egyszerűen elmozdulnak egymás mellett, hanem fizikailag meg is nyúlnak. Különösen érdekes, hogy ez a nyúlás a gének által vezérelt fehérjetermeléshez – például az aktinfehérje előállításához – köthető. Az aktinszálak a sejtet mintegy belülről húzzák szét, hasonlóan, mint egy rugó. Ellenállnak a külső húzóerőnek, és meghatározzák, hogyan változik a sejt alakja az idő során.
Ezt kísérletileg is igazolták: amikor hatóanyagokkal megakadályozták, hogy aktin képződjön, a sejtek rugalmassága eltűnt, vagyis a sejtek elvesztették a megnyúlásukra jellemző viselkedést.
Fizika, gének és élet: együtt formálnak
Noha a biológia hagyományosan igyekezett mindent genetikai okokra visszavezetni, egyre világosabbá válik, hogy az élő szervezetek alakját már a szövetek szintjén, sőt, akár sejten belül is fizikai, mechanikai erők formálják. Külön figyelmet érdemel, hogy a legmeglepőbb biológiai mintázatok – madártollak, pikkelyek vagy akár egy embrió tengelye – nem jöhetnének létre pusztán a gének utasításai szerint: az anyag tulajdonságai, az áramlás, feszültség és rugalmasság szintén nélkülözhetetlenek.
Ugyanakkor a részfolyamatok szerepe, jelentősége és egymásra gyakorolt hatása továbbra is kutatást igényel. Egy azonban biztos: ahol mozgás van, ott a mechanikai erők is működnek – és ma már a tudomány is kezd számolni azzal, hogy az élet formálását a gének és a fizika együtt végzik.
