Qu'est-ce que la morphogenèse ? La morphogenèse examine le développement des formes des organismes vivants.

C'est aussi un domaine de recherche pour Lakshminarayanan Mahadevan, Professeur de Mathématiques Appliquées, Biologie et physique organismiques et évolutives à l'Université de Harvard. Sur sa présentation dans la série Public Lectures Unveiling Math (PLUM) ici à Duke, il a attribué les débuts de la morphogenèse à D'Arcy Wentworth Thompson, auteur du livre Sur la croissance et la forme.

Mathématiquement, la morphogenèse se concentre sur la façon dont différents taux de croissance modifient la forme des organismes au fur et à mesure de leur développement. Numéro de téléphone, taille de cellule, forme de cellule, et la position cellulaire comprennent les facteurs cellulaires primaires de la morphogenèse multicellulaire, qui étudie des structures plus grandes que les cellules individuelles et est l'objectif de Mahadevan.

Les effets sur les tissus apparaissent à travers des changements de tailles, connectivités, et des formes, modifier le phénotype, ou l'apparence physique extérieure. Toutes ces variables changent dans l'espace et dans le temps. Le professeur Mahadevan a présenté les études de morphogenèse qui ont été menées sur des pousses de plantes, entrailles, et les cerveaux.

Les recherches sur les pousses végétales se concentrent souvent sur la question, « Pourquoi les pousses de plantes poussent-elles dans une si grande variété de directions et qu'est-ce qui détermine leurs formes ? » L'image ci-dessous montre les différentes apparences de postures des pousses de plantes allant de complètement droites à penchées à suspendues.

La morphogenèse peut-elle donner un sens à ces différences ? Grâce à la modélisation mathématique, deux stimuli pour la forme des pousses ont été déterminés :la gravité et elle-même. En outre, l'élasticité en fonction du poids des pousses joue un rôle dans les modèles mathématiques de formes des pousses végétales qui apparaissent dans l'article de Mahadevan co-écrit avec un collègue professeur, Raghunath Chelakkot. Mahadevan a également exploré la formation de formes de fleurs et de feuilles avec ces études de morphogenèse.

Plus de vingt pieds de boyaux sont enroulés à l'intérieur de vous. Afin d'adapter ces intestins à l'intérieur des mammifères, ils doivent s'enrouler et boucler. Mais quelles variables déterminent la façon dont ces tripes tournent ? Pour découvrir la réponse à cette question, Mahadevan et d'autres chercheurs ont examiné des embryons de poulet qui augmentent la longueur de leurs intestins d'un facteur supérieur à vingt sur une période de douze jours. Ils ont pu créer un modèle physique à l'aide d'un tube en caoutchouc cousu sur une feuille qui suivait les mêmes motifs que les entrailles des poussins. Grâce à leur observation non seulement des poussins mais aussi des cailles et des souris, Mahadevan a déterminé que la morphogenèse des intestins ne dépend pas de la génétique ou de tout autre facteur microscopique.

L'étude de Mahadevan sur la façon dont le cerveau se replie se produit à travers des images IRM du développement fœtal humain. Initialement, pratiquement aucun pli n'existe sur le cerveau fœtal, mais finalement la géométrie de l'environnement ainsi que le stress local forment des plis sur le cerveau. En créant un modèle avec du gel et en le traitant pour imiter la relation entre la matière grise et la matière blanche du cerveau, Mahadevan et d'autres chercheurs ont découvert qu'ils pouvaient reproduire les plis du cerveau. Parce qu'ils ont pu recréer les plis uniquement grâce à la géométrie globale et aux contraintes locales, ils ont conclu que l'évolution de la morphogenèse ne dépend pas de facteurs microscopiques tels que la génétique. Plus loin, en examinant si les régions de repliement sont en corrélation avec les régions d'activité du cerveau, questions sur l'effet de la forme physique sur les capacités et les fonctions internes du cerveau.