Vad är morfogenes? Morfogenesen undersöker utvecklingen av de levande organismernas former.

Det är också ett forskningsområde för Lakshminarayanan Mahadevan, Professor i tillämpad matematik, Organisk och evolutionsbiologi och fysik vid Harvard University. På sin presentation i serien Public Lectures Unveiling Math (PLUM) här på Duke, han krediterade början av morfogenesen till D'Arcy Wentworth Thompson, författare till boken Om tillväxt och form.

Matematiskt, morfogenes fokuserar på hur olika tillväxthastigheter förändrar organismers former när de utvecklas. Mobilnummer, cellstorlek, cellform, och cellposition omfattar de primära cellulära faktorerna för multicellulär morfogenes, som studerar större strukturer än enskilda celler och är Mahadevans fokus.

Effekter på vävnader uppträder genom förändringar i storlekar, anslutningar, och former, förändra fenotypen, eller det yttre fysiska utseendet. Alla dessa variabler förändras i rum och tid. Professor Mahadevan presenterade morfogenesstudier som har utförts på växtskott, tarmar, och hjärnor.

Forskning om växtskott koncentrerar sig ofta på frågan, "Varför växer växtskott i så många olika riktningar och vad bestämmer deras former?" Bilden nedan visar växtskottens olika ställningar från helt raka till lutande till hängande.

Kan morfogenes förstå dessa skillnader? Genom matematisk modellering, två stimuli för skottens former bestämdes:gravitationen och sig själv. Dessutom, elasticitet som en funktion av skottens vikt spelar en roll i de matematiska modellerna av växtskotts former som förekommer i Mahadevans artikel som skrivits tillsammans med en kollega, Raghunath Chelakkot. Mahadevan utforskade också bildandet av blom- och bladformer med dessa morfogenesstudier.

Över tjugo fot av inälvor är hoprullade inuti dig. För att få in dessa tarmar inuti däggdjuren, de måste rullas upp och slinga. Men vilka variabler avgör hur dessa inälvor går runt? För att ta reda på svaret på denna fråga, Mahadevan och andra forskare undersökte kycklingembryon som ökar deras tarmlängder med en faktor som är större än tjugo under en tolvdagarsperiod. De kunde skapa en fysisk modell med hjälp av ett gummirör sytt till ett lakan som följde samma mönster som ungarnas tarmar. Genom deras observation av inte bara kycklingar utan också vaktel och möss, Mahadevan fastställde att morfogenesen av tarmarna inte är beroende av genetik eller andra mikroskopiska faktorer.

Mahadevans studie av hur hjärnan veck uppstår genom MRI-bilder av mänsklig fosterutveckling. Initialt, knappt någon veckning existerar på fostrets hjärnor men så småningom bildar geometrin i omgivningen tillsammans med lokal stress veck på hjärnan. Genom att skapa en mall med gel och behandla den för att efterlikna förhållandet mellan hjärnans grå substans och vita substans, Mahadevan upptäckte tillsammans med andra forskare att de kunde reproducera hjärnans veck. Eftersom de kunde återskapa vecken genom enbart global geometri och lokal stress, de drog slutsatsen att morfogenes evolution inte beror på mikroskopiska faktorer såsom genetik. Ytterligare, genom att undersöka om vikningsregioner korrelerar med aktivitetsregionerna i hjärnan, frågor om den fysiska formens inverkan på förmågor och hjärnans inre funktioner.