Growth and remodeling control shape memory in morphogenetic rods

Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, eine Sandburg an einem Strand zu bauen, an dem die Flut ständig steigt und der Wind Sandkörner in alle Richtungen weht. Dies ist die tägliche Realität für Lebewesen, die versuchen zu wachsen. Von der Art und Weise, wie sich ein Fruchtfliegenembryo in seine endgültige Form windet, bis hin zu der Art, wie sich ein Pflanzenstängel zur Sonne hin krümmt – die Natur versucht ständig, komplexe, 3D-Strukturen aus weichen, nachgiebigen Materialien zu bauen. Aber es gibt einen Haken: Diese Materialien sind unordentlich. Sie sind voller winziger, zufälliger Zitterbewegungen – wie das Rauschen im Radio oder das chaotische Anstoßen von Molekülen – die ein empfindliches Design leicht ruinieren können. Wissenschaftler fragen sich schon lange, wie Lebewesen solche präzisen, reproduzierbaren Formen schaffen, wenn ihre Bausteine so verrauscht sind und dazu neigen, in die einfachsten, langweiligsten Formen zu kollabieren. Es ist ein bisschen so, als würde man versuchen, ein Origami-Kranich aus Papier zu falten, während jemand den Tisch schüttelt und das Papier langsam zu Wasser wird.

Um dieses Rätsel zu lösen, schauen Forscher oft auf „Stäbe“ – lange, dünne Strukturen, die wie die Skelette von Organen oder Stängeln fungieren. Diese Stäbe haben die natürliche Tendenz, einzuknicken oder sich zu biegen, wenn sie zu lang werden, ähnlich wie eine nasse Nudel oder ein langes Stück Spaghetti. Normalerweise, wenn man eine eingeknickte Nudel einfach liegen lässt, entspannt sie sich zu einer einfachen Kurve und vergisst dabei jede ausgefallene Drehung, die man ihr gegeben hat. Dieses Paper stellt eine große Frage: Wie bewahren lebende Systeme ihre komplexen, wackeligen Formen vor dem Glätten in langweilige Kurven, selbst wenn sie durch zufälliges Rauschen erschüttert werden? Die Antwort liegt in einem feinen Tanz zwischen drei Dingen: wie schnell der Stab wächst, wie „weich“ oder anpassungsfähig das Material ist (eine Eigenschaft namens Plastizität) und wie viel zufälliges Rauschen versucht, alles durcheinanderzubringen.

Die Autoren dieser Studie, Nicolas Romeo, David B. Brückner und Noah P. Mitchell, entwickelten ein mathematisches Modell, um diese wachsenden, wackeligen Stäbe zu simulieren. Sie behandelten den Stab wie ein spezielles „morphodynamisches“ Material, das sein eigenes Gedächtnis ändern kann. Stellen Sie sich ein Stück Ton vor, das, wenn man es allein lässt, langsam die Form vergisst, in die man es gerade geformt hat, und in seinen eigenen Standardzustand, den entspannten Zustand, zurückkehrt. Die Forscher wollten sehen, ob sie diese Fähigkeit des „Vergessens“ zu ihrem Vorteil nutzen können. Sie fanden heraus, dass die Antwort eine Geschichte nach dem Goldlöckchen-Prinzip ist: Zu wenig „Vergessen“, und der Stab kehrt zu einer einfachen Form zurück; zu viel „Vergessen“, und das zufällige Rauschen wird in die Form eingebacken, was den Stab in einen chaotischen, ungeordneten Klumpen verwandelt. Aber sie entdeckten einen Zaubertrick: Wenn der Stab schnell genug wächst, kann er diese Regel brechen.

Hier ist, was sie herausgefunden haben. Zuerst betrachteten sie, was passiert, wenn ein Stab einfach nur da liegt, ohne zu wachsen. Wenn das Material perfekt steif ist (wie harter Kunststoff), wird jede komplexe Form, die man ihm gibt, schließlich zu der einfachsten Kurve relaxieren. Sie nennen dies „elastische Vergröberung“ (elastic coarsening). Es ist wie ein zerknittertes Stück Papier, das sich langsam glättet, bis es nur noch ein flaches Blatt ist. Um dies zu verhindern, muss das Material ein wenig „plastisch“ sein – das heißt, es muss in der Lage sein, sich langsam so umzugestalten, dass es seiner aktuellen Form entspricht. Wenn die Umgestaltung mit genau der richtigen Geschwindigkeit geschieht, friert sie die komplexe Form ein, bevor sie sich glättet. Dies ist die „genau richtig“-Zone, in der die Form bewahrt wird.

Es gibt jedoch ein zweites Problem. Wenn das Material zu plastisch ist (wie sehr flüssiger Honig), wird es zu empfindlich gegenüber dem zufälligen Rauschen. Die winzigen, zufälligen Zitterbewegungen werden im Gedächtnis des Materials gefangen und verwandeln den Stab in ein chaotisches, ungeordnetes Durcheinander. Die Autoren zeigten durch ihre Simulationen, dass es einen Zielkonflikt gibt: Man braucht genug Plastizität, um zu verhindern, dass die Form sich glättet, aber nicht so viel, dass das Rauschen das Muster ruiniert. Dies schafft ein enges Fenster, in dem eine Form erinnert werden kann, aber nur, wenn die Form nicht zu kompliziert ist.

Der eigentliche Durchbruch kommt, wenn man Wachstum hinzufügt. Die Autoren simulierten den Stab, der länger wird, wie ein Pflanzenstängel, der sich der Sonne entgegenstreckt. Sie fanden heraus, dass Wachstum wie eine Superkraft wirkt, die beide Probleme gleichzeitig löst. Während der Stab wächst, unterdrückt er natürlich die Tendenz, sich in eine einfache Kurve zu glätten. Gleichzeitig verdünnt das Wachstum den Effekt des zufälligen Rauschens, wodurch das Rauschen weniger wahrscheinlich das Muster ruiniert. In ihren Simulationen fanden sie heraus, dass man durch die Kombination von schnellem Wachstum mit einer hohen Rate der Umgestaltung komplexe, reproduzierbare Formen erschaffen kann, die ansonsten unmöglich wären.

Zusammenfassend lässt das Paper darauf schließen, dass lebende Systeme sich nicht nur darauf verlassen, entweder steif oder weich zu sein; sie verlassen sich auf eine spezifische Kombination aus schnellem Wachsen und der Umgestaltung ihrer Struktur mit einer optimalen Rate. Dies ermöglicht es ihnen, ihre ursprünglichen Musteranweisungen trotz des Chaos durch das Rauschen und der Tendenz, in einfache Formen zu kollabieren, zu „erinnern“. Die Autoren nutzten Computersimulationen, um zu zeigen, dass dies funktioniert, und sie haben sogar mathematische Formeln hergeleitet, um vorherzusagen, wie schnell das Wachstum und die Umgestaltung erfolgen müssen, um eine bestimmte Form zu erhalten. Obwohl dies derzeit ein Modell eines einzelnen Stabes ist, deuten die Autoren an, dass dieses Prinzip erklären könnte, wie komplexe Organe, wie etwa die Windungen eines Darms oder die Falten eines Gehirns, in der unordentlichen, verrauschten Welt eines sich entwickelnden Embryos so zuverlässig entstehen können. Es stellt sich heraus, dass man, um etwas Komplexes zu bauen, manchmal schnell wachsen und bereit sein muss, seine Meinung gerade genug zu ändern, um die Form festzuhalten, aber nicht so sehr, dass man sie ganz vergisst.