Fysikere udvikler model, der beskriver længdevækst i biologiske systemer

"Bedstemor, hvorfor har du så store ører? "er et af de mest kendte spørgsmål i litteraturen, stillet naturligvis af Rødhætte, da hun tøvende observerer ulven klædt i sin bedstemors tøj. Havde Rødhætte været fysiker, hun kunne godt have spurgt:"Bedstemor, hvorfor er dine to ører nøjagtig lige lange? "

Forskere har været klar over dette 'længdeproblem' i lang tid, men det blev stort set overset i det meste af det tyvende århundrede. Robert B. Laughlin, der vandt Nobelprisen i fysik i 1998, skrev en interessant artikel om emnet. I "Kritiske bølger og biologiens længdeproblem, "Laughlin udtaler, at der i lang tid ikke er sket væsentlige fremskridt med hensyn til at forstå, hvordan organismer regulerer deres længde. Han foreslog, at levende ting kan størrelse sig selv, og at når de har erhvervet disse oplysninger, de kan reagere i overensstemmelse hermed - f.eks. ved at holde op med at vokse deres arme eller ben, når disse lemmer har nået deres 'ønskede' størrelse.

Fysikere ved Saarland Universitet har taget fat på disse ideer og har udviklet en matematisk model, der kan bruges til at beskrive, hvordan biologiske systemer kan måle deres længde. Kandidatstuderende, Frederic Folz, der behandlede problemet i sin kandidatafhandling, har nu offentliggjort resultaterne i det højt rangerede tidsskrift Fysisk gennemgang E i et papir medforfatter af Giovanna Morigi, Professor i teoretisk kvantefysik, Karsten Kruse, Professor i teoretisk biologisk fysik, og Lukas Wettmann, en ph.d. elev i Kruses gruppe.

Forskerne valgte at studere axoner som deres modelsystem. Axoner er nøglekomponenter i nerveceller (neuroner). Axoner fungerer som en forbindelse mellem nerveceller og gør det muligt for elektriske signaler at passere fra en neuron til en anden. Da en axons længde kan variere fra et par mikrometer til flere meter, organismer skal naturligvis have nogle midler til at kontrollere, hvor længe specifikke axoner skal vokse. "Det er lykkedes os at udvikle en model for en mekanisme, der forklarer, hvordan en organisme kan gøre netop det. Modellen forklarer ikke kun, hvordan neuroner kan bestemme deres egen længde, det kan også generaliseres til andre biologiske systemer, ”forklarer Frederic Folz.

De kemiske signalmolekyler, der regulerer vækst i biologiske systemer, opfører sig på følgende måde:"Molekylerne spredes gennem systemet som kemiske bølger, indtil de når enden af ​​axonen, "siger Folz. Hvis frekvensen, hvormed denne 'molekylbølge' vender tilbage til sit udgangspunkt er høj, den biologiske struktur, hvorigennem bølgen har passeret, er kort; hvis hyppigheden af ​​en sådan cyklus er lav, så har det taget længere tid for kemikaliet at vende tilbage, og strukturen er tilsvarende stor. Et molekyle har brug for mindre tid til at rejse et par mikrometer inden for en bakterie, end det gør for at rejse fra roden til kronen af ​​et egetræ. Fysikerne har beskrevet denne mekanisme ved hjælp af en matematisk model.

Forskerne formoder, at et biologisk system, såsom et træ, et menneske eller en celle, kan 'måle' hyppigheden af ​​disse cyklusser og kan derfor bestemme og dermed kontrollere længden af, sige, et blad eller et ben.

Deres arbejde kan være af grundlæggende betydning for fremtidig forskning i forskellige sygdomme. "Vores model kan også bruges i elektroniksektoren til at regulere forskellige fysiske størrelser, "siger Folz. Modellen indeholder også elementer, der kan beskrive dynamikken på internettet og, mere generelt, andre kunstige netværk og kunne godt danne grundlag for yderligere udvikling og forbedringer på disse områder.