"Grootmoeder, waarom heb je zulke grote oren?" is een van de meest bekende vragen in de literatuur, natuurlijk geposeerd door Roodkapje terwijl ze aarzelend naar de wolf kijkt die gekleed is in de kleren van haar grootmoeder. Was Roodkapje een natuurkundige geweest, ze had heel goed kunnen vragen:"Grootmoeder, waarom zijn je twee oren precies even lang?"

Wetenschappers zijn zich al lang bewust van dit 'lengteprobleem', maar het grootste deel van de twintigste eeuw werd het grotendeels over het hoofd gezien. Robert B. Laughlin, die in 1998 de Nobelprijs voor natuurkunde won, schreef er een interessant artikel over. In "Kritische golven en het lengteprobleem van de biologie, " Laughlin stelt dat er gedurende een lange periode geen significante vooruitgang is geboekt in het begrijpen hoe organismen hun lengte regelen. Hij stelde voor dat levende wezens zichzelf kunnen meten en dat als ze deze informatie eenmaal hebben verkregen, ze kunnen dienovereenkomstig reageren, bijvoorbeeld door te stoppen met het groeien van hun armen of benen zodra deze ledematen hun 'gewenste' grootte hebben bereikt.

Natuurkundigen van de Universiteit van Saarland hebben deze ideeën opgepikt en een wiskundig model ontwikkeld dat kan worden gebruikt om te beschrijven hoe biologische systemen hun lengte kunnen meten. afgestudeerde student, Frederic Folz, die het probleem in zijn masterscriptie aan de orde stelde, heeft de resultaten nu gepubliceerd in het hoog aangeschreven tijdschrift Fysieke beoordeling E in een paper, mede geschreven door Giovanna Morigi, Hoogleraar theoretische kwantumfysica, Karsten Kruse, Hoogleraar Theoretische Biologische Fysica, en Lukas Wettmann, een doctoraat student in de groep van Kruse.

De wetenschappers kozen ervoor om axonen te bestuderen als hun modelsysteem. Axonen zijn sleutelcomponenten van zenuwcellen (neuronen). Axonen fungeren als een schakel tussen zenuwcellen en zorgen ervoor dat elektrische signalen van het ene neuron naar het andere kunnen gaan. Omdat de lengte van een axon kan variëren van enkele micrometers tot enkele meters, organismen moeten natuurlijk een manier hebben om te bepalen hoe lang specifieke axonen moeten groeien. "We zijn erin geslaagd een model te ontwikkelen van een mechanisme dat verklaart hoe een organisme precies dat kan doen. Het model legt niet alleen uit hoe neuronen hun eigen lengte kunnen bepalen, het kan ook worden gegeneraliseerd naar andere biologische systemen, ", legt Frederic Folz uit.

De chemische signaalmoleculen die de groei in biologische systemen reguleren, gedragen zich op de volgende manier:"De moleculen verspreiden zich door het systeem als chemische golven totdat ze het einde van het axon bereiken, " zegt Folz. Als de frequentie waarmee deze 'moleculaire golf' terugkeert naar zijn punt van oorsprong hoog is, de biologische structuur waar de golf doorheen is gegaan is kort; als de frequentie van zo'n cyclus laag is, dan duurt het langer voordat de chemische stof is teruggekeerd en is de structuur navenant groot. Een molecuul heeft minder tijd nodig om een ​​paar micrometers binnen een bacterie te reizen dan om van de wortel naar de kruin van een eik te reizen. De natuurkundigen hebben dit mechanisme beschreven met behulp van een wiskundig model.

De onderzoekers vermoeden dat een biologisch systeem, zoals een boom, een mens of een cel, kan de frequentie van deze cycli 'meten' en kan daardoor de lengte van, zeggen, een blad of een poot.

Hun werk kan van fundamenteel belang zijn voor toekomstig onderzoek naar verschillende ziekten. "Ons model kan ook in de elektronicasector worden gebruikt om verschillende fysieke hoeveelheden te reguleren, ", zegt Folz. Het model bevat ook elementen die de dynamiek van internet kunnen beschrijven en, algemener, andere kunstmatige netwerken en zou wel eens de basis kunnen vormen voor verdere ontwikkelingen en verbeteringen op deze gebieden.