Beschreibung wachsender Gewebe in der Sprache der Thermodynamik

Ein wesentliches Merkmal biologischer Gewebe ist ihre Inhomogenität und ihre Fähigkeit, durch Zellreproduktion zu wachsen. Um dieses Verhalten zu untersuchen, ist es wichtig, es mithilfe von Gleichungen zu beschreiben, die Faktoren wie Wachstumsraten, chemische Signale und Gewebestruktur berücksichtigen.

Forscher aus Paris wollen konsistente, kontinuierliche Beschreibungen dieser äußerst komplexen Systeme entwickeln: Eigenschaften wie Zellreproduktionsraten, Unordnung und die Variation ihres Wachstums in verschiedenen Raumrichtungen abhängig von ihren Wechselwirkungen genau vorhersagen.

Durch ihre neue Analyse veröffentlicht In Das European Physical Journal PlusJoseph Ackermann und Martine Ben Amar von der Sorbonne-Universität Paris, zeigen, dass die Gewebeentwicklung zuverlässig im Rahmen des „Onsager-Variationsprinzips“ erfasst werden kann, einem mathematischen Rahmenwerk, das in der Thermodynamik weit verbreitet ist.

Ihr Ansatz könnte zu einem tieferen Verständnis der Gewebeeigenschaften in einem breiten Spektrum von Szenarien führen, von wesentlichen Prozessen wie der Embryonalentwicklung bis hin zu schädlichen Prozessen wie dem Tumorwachstum.

In der Thermodynamik beschreibt das Variationsprinzip von Onsager, wie Systeme zu einem Zustand minimaler Dissipation tendieren, da sie durch ihre eigenen Transformationen und ihre Umgebung kontinuierlich verändert werden. Mathematisch drückt das Prinzip diese Systeme als Gruppen miteinander verbundener Gleichungen aus, von denen jede die Änderungsraten bestimmter sie beschreibender Größen beschreibt.

Ausgehend vom Variationsprinzip von Onsager werden neue „Impuls“- und Wachstumsgleichungen abgeleitet, die den Massenfluss und die Proliferation sowie die Orientierungen von Zellen in biologischen Geweben besser beschreiben könnten. Ihre Gleichungen berücksichtigten die Wachstums- und Sterberaten von Zellen sowie die chemischen Reaktionen, die ihre Aktivität antreiben. Dieser Ansatz könnte auch die Entstehung von Mustern in wachsenden Organen veranschaulichen.

Insgesamt zeigt die Arbeit des Duos definitiv, wie das Variationsprinzip von Onsager ein wertvolles Werkzeug für die Erforschung verschiedener theoretischer Szenarien in wachsenden Geweben sein kann und wie ihr Wachstum von Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Eigenschaften auf zellulärer Ebene abhängt.