Under hundraårsjubileet för publiceringen av en framstående avhandling om de fysiska och matematiska principerna som ligger till grund för naturen - On Growth and Form av D'Arcy Wentworth Thompson - har en fysiker från Cambridge lett en studie som beskriver en elegant enkel lösning på ett pussel som har belastat biologer. i århundraden:hur komplexa förgreningsmönster av vävnader uppstår.

Förgreningsmönster förekommer i hela naturen - i träd, ormbunkar och koraller, till exempel - men också i en mycket finare skala, där de är viktiga för att säkerställa att organismer effektivt kan utbyta gaser och vätskor med miljön genom att maximera den tillgängliga ytarean.

Till exempel, i tunntarmen, epitelvävnad är anordnad i en rad fingerliknande utsprång. I andra organ, såsom njure, lunga, mjölkkörtlar, bukspottkörteln och prostata, utbytesytor packas effektivt runt invecklade grenade epitelstrukturer.

"På ytan, frågan om hur dessa strukturer växer - strukturer som kan innehålla så många som 30 eller 40 generationer av förgrening - verkar otroligt komplex, säger professor Ben Simons, som ledde studien, publiceras idag i tidskriften Cell . Professor Simons har befattningar vid University of Cambridges Cavendish Laboratory och Wellcome Trust/Cancer Research UK Gurdon Institute.

Detta klassiska problem med "förgrenad morfogenes" har uppmärksammats av vetenskapsmän och matematiker i århundraden. Verkligen, den matematiska grunden för morfogenes - den biologiska process som får organismer att utveckla sin form - var föremål för D'Arcy Wentworth Thompsons klassiska text, publicerad 1917 av Cambridge University Press. Thompson hade varit student vid Cambridge, studerar zoologi vid Trinity College, och arbetade kort som juniordemonstrator i fysiologi.

Under utvecklingen, grenstrukturer orkestreras av stamliknande celler som driver en process av ductal tillväxt och delning (eller "bifurkation"). Varje efterföljande gren kommer då antingen att sluta växa, eller fortsätt att förgrena sig igen. I en studie publicerad i Natur tidigare i år, Professor Simons som arbetar i samarbete med Dr Jacco van Rheenen vid Hubrecht Institute i Utrecht visade att, i bröstkörteln, dessa uppdelnings- och avslutningsprocesser sker slumpmässigt, men med nästan lika stor sannolikhet.

"Även om det pågår en kollektiv beslutsprocess som involverar flera olika stamcellstyper, vår upptäckt att tillväxt sker nästan vid ett myntslag antydde att det kan finnas en mycket enkel regel som stöder det, säger professor Simons.

Professor Simons och hans kollega Dr Edouard Hannezo observerade att det var väldigt lite korsning av grenarna - kanaler verkade expandera för att fylla utrymmet, men inte överlappar varandra. Detta fick dem att gissa att kanalerna växte och delade sig, men så snart en spets rörde en annan gren, det skulle sluta.

"På det här sättet, du skapar ett perfekt rymdfyllande nätverk, med just den observerade statistiska organisationen, via den enklaste lokala instruktionen:du förgrenar dig och du stannar när du möter en mognadskanal, säger Dr Hannezo, en Sir Henry Wellcome postdoktor baserad vid Gurdon Institute. "Detta har enorma konsekvenser för den grundläggande biologin. Det säger dig att komplexa grenade epitelstrukturer utvecklas som en självorganiserad process, beroende av en slående enkel, men generisk, regel, utan att tillgripa en stel, förutbestämd sekvens av genetiskt programmerade händelser."

Although these observations were based on the mammary gland epithelium, by using primary data from Dr Rosemary Sampogna at Columbia University, Professor Anna Philpott in Cambridge and Dr Rakesh Heer at Newcastle University, the researchers were able to show that the same rules governed the embryonic development of the mouse kidney, pancreas and human prostate.

"In the mammary gland, you have a hundred or more fate-restricted stem-like cells participating in this bifurcation-growth-bifurcation process, whereas in the pancreas it's just a handful; but the basic dynamics are the same, " says Professor Simons. "The model is aesthetically beautiful, because the rules are so simple and yet they are able to predict the complex branching patterns of these structures."

The researchers say their discovery may offer insights into the development of breast and pancreatic cancer, where the earliest stages of the disease often show an irregular tangled ductal-like organisation.

"A century after the publication of On Growth and Form, it's exciting to see how the concepts of self-organisation and emergence continue to offer fresh perspectives on the development of biological systems, framing new questions about the regulatory mechanisms operating at the cellular and molecular scale, " Professor Simons adds.

While it may be too early to tell whether similar rules apply to other branched tissues and organisms, there are interesting parallels:branching in trees appears to follow a similar pattern, till exempel, with side branches growing and bifurcating until they are shaded or until they are screened by another branch, at which point they stop.

The research was funded by the Wellcome Trust with additional core support from Cancer Research UK and the Medical Research Council.

Dr Sheny Chen from Wellcome's Cellular and Developmental Science team, said:"This is an elegant study that helps us to understand what guides the decisions our cells make during essential developmental processes. It's fascinating to see that such simple rules can govern the generation of such highly complex patterns and that these rules can apply to different branched structures."