Cellular Patterns (6. veljače 2018. godine)

Bilo je to prije više od 4. godine, 23. listopada 2013. godine kad je urednica predložila Primožu da napiše knjigu o mehanici tkiva, a 3. veljače 2014. godine poslali smo prijedlog knjige, s opisom naših namjera i preliminarnim sadržajem natrag u Taylor & Francis. U tom je međuvremenu Primož vrbovao i mene da mu se pridružim u tom nemalom pothvatu i to u području o kojem sam ja tada nedovoljno znao. Odazvao sam se tom prijedlogu jer je tema bila iznimno zanimljiva, a i jer mi je s Primožem bilo uvijek ugodno raditi i diskutirati o fizici pa sam se nadao da će tako biti i ovaj put. Četiri godine kasnije, nakon nekoliko mojih dugih boravaka na Institutu Jožef Stefan i radu na knjizi, nakon propuštenog roka 31. siječnja 2016. godine i nakon mnogo rada, knjiga je objavljena (prosinac 2017. godine). Kako ona izgleda vidi se u videu iznad koji prikazuje listanje svakog lista knjige - kliknite na ikonicu kvadrata u donjem desnom kutu videa da ga prikažete preko cijelog ekrana i bolje vidite o čemu se u knjizi radi te selektirajte najveću rezoluciju (dolje, desno, 720p HD) ako već nije selektirana.

Knjiga se bavi fizikom tkiva i stanica i oblicima i dinamikom tkiva, pogotovo epitelija - efektivno dvodimenzionalnih tkiva koja pokrivaju površine organa i oblažu šupljine te određuju ranu dinamiku i oblike koji nastaju u embriogenezi (rastu embrija). Takva su istraživanja zadnjih desetak godina prilično živnula, dijelom zbog razrade fizikalnih metoda potrebnih za opis mekanih i deformabilnih materijala (ovo se područje u fizici obično naziva extreme mechanics), a dijelom zbog spektakularnih napredaka mikroskopije koji su omogućili potpuno nove uvide u dinamiku i statiku stanica i tkiva. U uvodu u knjigu iznosimo povijesni pregled ideje koja nas je vodila, a to je da je mnogo toga u biologiji, u rastu, u međudjelovanju stanica, u mehanici i dinamici tkiva, oblicima epitelija ili tumora zapravo mehanička i fizikalna nužnost, koja može biti i uglavnom jest "navođena" aktivnošću gena (ili njenim izostankom), ali geni sami ne mogu definirati novu fiziku nego samo usmjeriti tok tvari i energije u neko od mogućih fizikalnih stanja u kojima se tkivo ili rastući embrij mogu nalaziti. U tom smislu, biologija rasta i razvoja je područje u kojem se kontroliraju i usmjeravaju fizikalne sile i energije i to pogotovo u ključnim trenucima, kad se nagomilane mehaničke energije relaksiraju u jedan od nekoliko, ili čak samo jedan fizikalno mogući oblik, a biološka i genska kontrola definira finije aspekte tog procesa. Evo primjera: kad ispušete nogometnu loptu, prvo se udubljenje na njoj može ukazati u principu bilo gdje na njenoj površini, ali je samo njegovo postojanje robusno svojstvo mehanike ispuhane lopte. Genska kontrola bi u ovoj analogiji samo određivala točno mjesto na kojem će se taj fizikalno robusni proces dogoditi, tj. odabirala bi jedno od mnoštva mogućih položaja udubljenja tj. stanja koje zahtijeva mehanika.

Takav "mehanički" pogled na biološki oblik i rast organizma ima dugu tradiciju, a mi smo u knjizi pokupili i neke važnije odrednice, godine i ljude koji ga definiraju. Slika ispod (slika 1.7. u knjizi) prikazuje naš timeline iz knjige - na lijevoj strani nalaze se ljudi i postignuća koji su izravno vezani uz teme koje obrađujemo u knjizi, a na desnoj ključni momenti u razvoju biologije u nešto širem smislu, ali i dalje važnom za našu tematiku.

Kroz cijelu se povijest biologije tražilo mjesto za mehaničko i fizikalno "uzemljenje" života, a oni koji su taj aspekt naglašavali često su bili ismijavani zbog nužne grubosti njihovih modela u usporedbi s rafiniranošću koju je život postigao evolucijom. Tako je i danas, barem u nekim krugovima. Georgeu Osteru, matematičkom biologu čiji rad citiramo nekoliko puta, a i spominjemo u timelineu (iznad; Odell et al) recenzent je 1980. godine napisao:

Autori pokušavaju primijeniti Newtonove zakone na embrije, ali kao što svi biolozi znaju, biološki sustavi ne slijede fizikalne zakone.

Povijest je ovakvih nesporazuma duga. U isto vrijeme (1874. godine) kad Wilhelm His ukazuje da se oblici mozga u rastućem pilećem embriju (slika ispod; a - slika 1.5. u našoj knjizi) mogu usporediti s oblicima gumenih cijevi (slika ispod; b,c) te su stoga fizikalna nužnost rasta elastičnog objekta u međudjelovanju s okolinom, Ernst Haeckel propagira ideju o embrionalnom razvoju kao o rekapitulaciji evolucije, kao o procesu koji prati evolucijski slijed od "nižih" ka "višim" organizmima. Suprotstavljenost evolucijskog / genetičkog i mehaničkog pogleda na organizam postoji i danas, premda danas mnogo više znamo i svjesniji smo da ni jedno od tih stajališta u ekstremalnoj ekstrapolaciji ne opisuje biologiju te da su i His i Haeckel u nekoj mjeri bili u pravu - Haeckel nešto manje.

Rast embrija navođen je evolucijski određenim slijedom aktivacije regulatornih gena koji u ključnim fazama osiguravaju da se tok tvari i energije usmjeri u stanje karakteristično za konkretnu vrstu, ali ne može se time dobiti bilo kakav oblik i organizam nego samo oni koji su kompatibilni s mehanikom rastućeg tkiva. Predstavimo li rastući organizam kao neku konfiguraciju papira, a regulatorne gene kao niz instrukcija za presavijanje papira u ključnim fazama rasta, onda se odrasli "organizam" može dobiti iz bezobličnog A4 papira (analogona npr. blastule - stanične ljuske u ranoj fazi embriogeneze) regulacijom i evoluiranim planom njegovog motanja koji na kraju daje više ili manje uspješni papirnati avion (ispod; slajd iz predavanja >> Kako izgledaju vanzemaljske školjke? održanog 4. studenog 2015. godine na Festivalu znanosti u Sinju). [Analogiju treba shvatiti približno jer substrat raste u vremenu dok se na njemu izvode transformacije što očito nije slučaj kad govorimo o A4 papiru.]

U ovoj analogiji, naša se knjiga ne bavi genskim instrukcijama (planom motanja) i njihovom evolucijskom poviješću, nego materijalnim supstratom (papirom) te razmatra kako se sve papir može smotati tj. na kakvoj mehaničkoj podlozi počivaju biološki i evolucijski dizajn.

Na samom početku dvadesetog stoljeća D'Arcy Wentworth Thompson je, barem za fizičare, možda i najuočljiviji zagovornik fizikalnog pristupa problemima biološkog oblika i rasta. Njegova knjiga On growth and form (O rastu i obliku) za je mnoge fizičare bila prvi susret s dubljom analizom oblika koje proizvodi život te s vrhunskim vizualizacijama i ilustracijama tih oblika. Video ispod prikazuje listanje Thompsonove knjige i omogućuje uvid u njen sadržaj i kvalitetu ilustracija - kliknite na ikonicu zupčanika u donjem desnom kutu prozora iznad i pod "Quality" odaberite 720p HD da video prikažete u najboljoj kvaliteti, a onda kliknite i na kvadrat s isprekidanim stranicama u donjem desnom kutu da prikažete video preko cijelog ekrana za najbolji uvid u sadržaj knjige.

Nama je u svakom slučaju Thompson bio važno polazno uporište i poticaj za knjigu. Ne smije se u veličini i važnosti tog utjecaja potcijeniti ni iznimno poticajna vizualnost Thompsonovog izbora neživih pojava i oblika organizama, npr. kapi tekućina koje padaju u drugim tekućinama (uljima) i meduza (ispod; slika 1.6. u našoj knjizi). I mi smo se u knjizi trudili ići tim putem i ponuditi poticajnu vizualizaciju oblika i procesa. Naša knjiga sadrži 172 crno-bijele ilustracije, a naslovnica je, s izborom sive pozadine i narančastog naglaska na smeđim šišarkicama mediteranskog čempresa (Cupressus sempervirens) odjek naslovnice On growth and form na kojoj je na sivoj pozadini prikazana školjka Nautilusa s narančastim odsjajem, naglaskom na smeđem sedefu školjke (vidi video iznad). Šišarkice, inače, govore cellular patterns odn. prikazuju podjelu površine elipsoida na teritorije, stanice (cells) - poligone koji dijele rubove i sastaju se tako da se po tri ruba nalaze u svakom vrhu.

Naravno, a znao je to i Thompson, stanice nisu kao objekti i materijali koji su dobro klasificirani u fizikalnom smislu. Stanica nije kao žvakaća guma, nije kao kapljica meda i nije kao mjehurić sapunice, ali se fizika koja opisuje te materijale i objekte može dobro iskoristiti da opiše stanice i tkiva barem u nekim uvjetima i režimima. Kroz našu se knjigu, naprimjer, stalno provlači koncept površinske napetosti i adhezije koji se može dobro razumjeti u kontekstu pjene i mjehurića od sapunice, a ti se uvidi mogu s oprezom proširiti na ponašanje stanica u međudjelovanju i tkiva, te procesima promjene oblika rastućeg embrija u ranim fazama embriogeneze. Moglo bi se reći i da se naša knjiga bavi kreativnim primjenama fizikalnih modela za opis oblika i dinamike tkiva. Iz njenog sadržaja (ispod) može se otprilike procijeniti koji joj je opseg, doseg i naglasak:

Koncept se knjige ponešto izmijenio u procesu njenog stvaranja, a kako je pisanje odmicalo to smo sve više o njoj razmišljali i kao o pregledu aktualnih rezultata i dostignuća i kao o pedagoškom pregledu povijesno važnih iskoraka. Stoga smo knjigu oblikovali tako da se može koristiti i kao udžbenik, recimo kao prateći ili komplementarni udžbenik biofizike na dodiplomskom ili postdiplomskom studiju. Modeli i teorije koje koristimo razrađeni su do tehničkih detalja tako da ih može pratiti i student fizike, a nadamo se i biologije. Svako poglavlje završava zadacima (ima ih sveukupno 64) od kojih su neki vrlo kvantitativni i strogo definirani, a neki slobodniji i namjerno slabije razrađeni tako da potaknu razmišljanje i kreativnu nadgradnju izloženog sadržaja. Tu su i posebno izdvojeni sadržaji (boxes; vidi primjer ispod) namijenjeni brzom usvajanju / ponavljanju ključnih matematičkih, fizikalnih i bioloških koncepata potrebnih za razumijevanje materije o kojoj pišemo - većim dijelom se radi o elementima mehanike kontinuuma.

Dok smo je pisali, nisam ni u kojem "političkom" smislu razmišljao o našoj knjizi, no postoji politički aspekt ove knjige, koliko god da se radi o stručnom i znanstvenom tekstu. S razvojem znanosti i jačanjem ideje da je sve u ovom svemiru podložno fizikalnim zakonitostima, zaoštrila su se i pitanja:

Je li čovjek u popisu svega što u svemiru postoji samo još jedan objekt koji mora udovoljavati zakonitostima kao što se planete gibaju oko svojih sunaca i kao što voda ključa kad je se zagrije?

Ako je cijeli svijet podložan prirodnim zakonima gdje je u njemu mjesto za čovjeka, za slobodnu volju, za duh, za moral i humanost?

Premda se mi tih pitanja, naravno, ne dotičemo, ideja da se nešto toliko ljudsko kao razvoj embrija u ranim fazama može opisati fizikalnim i mehaničkim modelima je za mnoge blasfemična. Nije to zapravo ništa novo i ništa što nije već mnogo puta kroz povijest pratilo znanstvene uvide u onaj prostor koji smo smatrali svetim, svatko na svoj, više ili manje doslovan način, i izvan dosega svake znanosti.

18. siječnja knjigu smo predstavili na Fakultetu za matematiku i fiziku u Ljubljani, a 6. veljače na Institutu Ruđer Bošković u Zagrebu. Video ispod sadrži zvučni zapis zagrebačke prezentacije s montiranim slajdovima i fotografijama (25 min). Da ilustrira glavnu poruku i ideju vodilju naše knjige, Primož je u jednom trenutku skočio ispred projekcijskog platna te ustvrdio da činjenica da se on kao biološki sustav ubrzavao i prizemljio ne ovisi o njegovom genomu nego o gravitacijskoj sili (!) Elementarno, ali vrlo ilustrativno i svakako objašnjava suštinu naše optike :)

<< Fahrenheit 451, dio drugi Ž. Mandić o "Problemu promatrača" >>

Zadnji put osvježeno: 6. veljače 2018. godine