Growth and remodeling control shape memory in morphogenetic rods

Stel je voor dat je een zandkasteel probeert te bouwen op een strand waar het tij constant stijgt en de wind zandkorrels in alle richtingen blaast. Dit is de dagelijkse realiteit voor levende wezens die proberen te groeien. Van de manier waarop een embryo van een fruitvlieg zich in zijn uiteindelijke vorm draait tot hoe een plantenstengel naar de zon krult: de natuur probeert voortdurend complexe, 3D-structuren te bouwen uit zachte, smeuïge materialen. Maar er is een addertje onder het gras: deze materialen zijn rommelig. Ze zitten vol met kleine, willekeurige trillingen—zoals statische ruis op een radio of het chaotische botsen van moleculen—die een delicaat ontwerp gemakkelijk kunnen verpesten. Wetenschappers vragen zich al lang af hoe levende wezens dergelijke precieze, reproduceerbare vormen weten te bouwen wanneer hun bouwstenen zo luidruchtig zijn en geneigd zijn in te storten tot de simpelste, saaie vormen mogelijk. Het is een beetje alsof je probeert een origami-kraanvogel te vouwen van een stuk papier terwijl iemand de tafel schudt en het papier langzaam in water verandert.

Om dit puzzelstuk op te lossen, kijken onderzoekers vaak naar "staven"—lange, dunne structuren die fungeren als de skeletten van organen of stengels. Deze staven hebben een natuurlijke neiging om door te buigen of te knikken wanneer ze te lang worden, net als een natte sliert spaghetti. Meestal, als je een geknikte sliert laat liggen, ontspant deze in een eenvoudige curve en vergeet het elke bijzondere draai die je het probeerde te geven. Dit artikel stelt een grote vraag: hoe houden levende systemen hun complexe, golvende vormen vast zonder dat ze gladstrijken tot saaie curven, zelfs wanneer ze worden geschud door willekeurige ruis? Het antwoord ligt in een delicate dans tussen drie dingen: hoe snel de staaf groeit, hoe "smeuïg" of aanpasbaar het materiaal is (een eigenschap genaamd plasticiteit), en hoeveel willekeurige ruis probeert de boel te verpesten.

De auteurs van deze studie, Nicolas Romeo, David B. Brückner en Noah P. Mitchell, hebben een wiskundig model gebouwd om deze groeiende, golvende staven te simuleren. Ze behandelden de staaf als een speciaal soort "morfodynamisch" materiaal dat zijn eigen geheugen kan veranderen. Stel je een stuk klei voor dat, als je het met rust laat, langzaam het vorm vergeet die je er net in hebt gekneed en terugvalt in zijn eigen standaard, ontspannen staat. De onderzoekers wilden zien of ze dit "vergeetvermogen" tot hun voordeel konden gebruiken. Ze ontdekten dat het een Goldilocks-verhaal is: te weinig "vergeten", en de staaf keert terug naar een simpele vorm; te veel "vergeten", en de willekeurige ruis wordt in de vorm gebakken, waardoor het een chaotische, ongeordende brij wordt. Maar ze ontdekten een magische truc: als de staaf hard genoeg groeit, kan hij deze regel doorbreken.

Dit is wat zij vonden. Eerst keken ze naar wat er gebeurt als een staaf gewoon stilzit zonder te groeien. Als het materiaal perfect stijf is (zoals hard plastic), zal elke complexe vorm die je eraan geeft uiteindelijk ontspannen in de eenvoudigste mogelijke curve. Ze noemen dit "elastische veroudering" (elastic coarsening). Het is als een gekreukeld stuk papier dat zichzelf langzaam gladstrijkt tot het slechts een plat vel is. Om dit te stoppen, moet het materiaal een beetje "plastisch" zijn—dat wil zeggen dat het in staat moet zijn om zichzelf langzaam te herstructureren om overeen te komen met de huidige vorm. Als de herstructurering met precies de juiste snelheid gebeurt, bevriest het de complexe vorm voordat deze kan gladstrijken. Dit is de "precies goed"-zone waar de vorm wordt bewaard.

Er is echter een tweede probleem. Als het materiaal te plastisch is (zoals zeer stroperige honing), wordt het te gevoelig voor de willekeurige ruis. De kleine, willekeurige trillingen raken in het geheugen van het materiaal gevangen, waardoor de staaf een chaotische, ongeordende bende wordt. De auteurs toonden via hun simulaties aan dat er een afweging is: je hebt genoeg plasticiteit nodig om te voorkomen dat de vorm gladstrijkt, maar niet zoveel dat de ruis het patroon verpest. Dit creëert een smal venster waarin een vorm kan worden onthouden, maar alleen als de vorm niet te ingewikkeld is.

De echte doorbraak komt wanneer je groei toevoegt. De auteurs simuleerden de staaf die langer wordt, zoals een plantenstengel die naar de zon reikt. Ze ontdekten dat groei werkt als een superkracht die beide problemen tegelijk oplost. Terwijl de staaf groeit, onderdrukt het van nature de neiging om glad te strijken tot een simpele curve. Tegelijkertijd verdunt groei het effect van de willekeurige ruis, waardoor de ruis minder waarschijnlijk het patroon verpest. In hun simulaties ontdekten ze dat als je snelle groei combineert met een hoge mate van herstructurering, je complexe, reproduceerbare vormen kunt creëren die anders onmogelijk zouden zijn.

Kortom, het artikel suggereert dat levende systemen niet alleen vertrouwen op het wel of niet stijf of zacht zijn; ze vertrouwen op een specifieke combinatie van snel groeien en hun structuur op een optimaal tempo herstructureren. Dit stelt hen in staat om hun initiële patronen te "onthouden", ondanks de chaos van ruis en de neiging om in te storten tot simpele vormen. De auteurs gebruikten computersimulaties om aan te tonen dat dit werkt, en ze hebben zelfs wiskundige formules afgeleid om te voorspellen hoe snel de groei en de herstructurering moeten zijn om een specifieke vorm te behouden. Hoewel dit momenteel een model is van een enkele staaf, suggereren de auteurs dat dit principe kan verklaren hoe complexe organen, zoals de lussen in een darm of de plooien in een brein, zo betrouwbaar kunnen ontstaan in de rommelige, luidruchtige wereld van een ontwikkelend embryo. Het blijkt dat om iets complex te bouwen, je soms snel moet groeien en bereid moet zijn je mening net genoeg te veranderen om de vorm vast te houden, maar niet zoveel dat je hem geheel vergeet.