"Mormor, varför har du så stora öron?" är en av litteraturens mest kända frågor, poserad naturligtvis av Rödluvan när hon tveksamt iakttar vargen klädd i sin mormors kläder. Hade Rödluvan varit fysiker, hon kunde mycket väl ha frågat:"Farmor, varför är dina två öron exakt lika långa?"

Forskare har varit medvetna om detta "längdproblem" under lång tid, men det förbises till stor del under större delen av 1900-talet. Robert B. Laughlin, som vann Nobelpriset i fysik 1998, skrev en intressant artikel om ämnet. I "Kritiska vågor och biologins längdproblem, " Laughlin konstaterar att under en lång period inte gjorts några betydande framsteg för att förstå hur organismer reglerar sin längd. Han föreslog att levande varelser kan dimensionera sig själva och att när de väl har fått denna information, de kan svara därefter – till exempel, genom att upphöra att växa sina armar eller ben när dessa lemmar har nått sin "önskade" storlek.

Fysiker vid Saarlands universitet har tagit till sig dessa idéer och har utvecklat en matematisk modell som kan användas för att beskriva hur biologiska system kan mäta sin längd. Forskarstuderande, Frederic Folz, som tog upp problemet i sin magisteruppsats, har nu publicerat resultaten i den högt rankade tidskriften Fysisk granskning E i en tidning medförfattare av Giovanna Morigi, Professor i teoretisk kvantfysik, Karsten Kruse, Professor i teoretisk biologisk fysik, och Lukas Wettmann, en Ph.D. elev i Kruses grupp.

Forskarna valde att studera axoner som sitt modellsystem. Axoner är nyckelkomponenter i nervceller (neuroner). Axoner fungerar som en länk mellan nervceller och gör det möjligt för elektriska signaler att passera från en neuron till en annan. Eftersom längden på ett axon kan variera från några mikrometer till flera meter, organismer måste uppenbarligen ha något sätt att kontrollera hur länge specifika axoner ska växa. "Vi har lyckats utveckla en modell av en mekanism som förklarar hur en organism kan göra just det. Modellen förklarar inte bara hur neuroner kan bestämma sin egen längd, det kan också generaliseras till andra biologiska system, " förklarar Frederic Folz.

De kemiska signalmolekylerna som reglerar tillväxten i biologiska system beter sig på följande sätt:"Molekylerna sprider sig genom systemet som kemiska vågor tills de når slutet av axonet, " säger Folz. Om frekvensen med vilken denna "molekylära våg" återgår till sin ursprungspunkt är hög, den biologiska strukturen genom vilken vågen har passerat är kort; om frekvensen av en sådan cykel är låg, då har det tagit längre tid för kemikalien att komma tillbaka och strukturen är motsvarande stor. En molekyl behöver kortare tid för att resa några mikrometer inom en bakterie än för att resa från roten till kronan på en ek. Fysikerna har beskrivit denna mekanism med hjälp av en matematisk modell.

Forskarna antar att ett biologiskt system, som ett träd, en människa eller en cell, kan "mäta" frekvensen av dessa cykler och kan därför bestämma och därmed kontrollera längden av, säga, ett löv eller ett ben.

Deras arbete kan vara av grundläggande betydelse för framtida forskning om en mängd olika sjukdomar. "Vår modell kan också användas inom elektroniksektorn för att reglera olika fysiska storheter, " säger Folz. Modellen innehåller också element som kan beskriva dynamiken på internet och, mer allmänt, andra konstgjorda nätverk och skulle mycket väl kunna utgöra grunden för vidare utveckling och förbättringar inom dessa områden.