Новая модель, описывающая организацию организмов, может привести к лучшему пониманию биологических процессов
Порядок не всегда очевиден на первый взгляд. Если бы вы бежали со стаей волков, охотящихся на оленей, движения казались бы беспорядочными. Однако если наблюдать за охотой с высоты птичьего полета и в течение более длительного периода времени, то в движении животных становятся очевидными закономерности. В физике такое поведение считается упорядоченным. Но как возникает этот порядок? Кафедра "физики живой материи" Рамина Голестаняна посвящена этому вопросу и исследует физические правила, управляющие движением в живых или активных системах. Цель Голестаняна-выявить универсальные характеристики активной, живой материи. Это включает в себя не только крупные организмы, такие как хищники и жертвы, но и бактерии, ферменты и моторные белки, а также искусственные системы, такие как микророботы. "Когда мы описываем группу таких активных систем на больших расстояниях и длительных периодах времени, конкретные детали систем теряют значение. Их общее распределение в пространстве в конечном счете становится решающей характеристикой”, - объясняет Голестанян.
От неживой к живой системе
Его команда в Геттингене недавно совершила прорыв в описании живой материи. Чтобы достичь этого, Суроприя Саха, Хайме Агудо-Каналехо и Рамин Голестанян начали с хорошо известного описания поведения неживой материи и расширили его. Главное заключалось в том, чтобы учесть принципиальное различие между живой и неживой материей. В отличие от неживой, пассивной материи, живая, активная материя может двигаться сама по себе. Физики используют уравнение Кана-Хиллиарда, чтобы описать, как разделяются неживые смеси, такие как эмульсия нефти и воды.
Характеристика, разработанная в 1950-х годах, считается стандартной моделью разделения фаз. Она основана на принципе взаимности: око за око. Таким образом, масло отталкивает воду точно так же, как вода отталкивает масло. Однако это не всегда относится к живой материи или активным системам. Хищник преследует свою жертву, в то время как жертва пытается убежать от хищника. Только недавно было показано, что существует невзаимное (т. е. активное) поведение даже в движении мельчайших систем, таких как ферменты. Таким образом, ферменты могут концентрироваться именно в отдельных клеточных областях, что необходимо для многих биологических процессов. После этого открытия Геттингенские исследователи исследовали, как ведут себя большие скопления различных ферментов. Будут ли они смешиваться или образовывать группы? Возникнут ли новые и непредвиденные характеристики? С целью ответить на эти вопросы исследовательская группа приступила к работе.
Внезапно появляются волны
Первая задача состояла в том, чтобы изменить уравнение Кана-Хиллиарда, включив в него невзаимные взаимодействия. Поскольку уравнение описывает неживые системы, взаимность пассивных взаимодействий глубоко заложена в его структуру. Таким образом, каждый описываемый им процесс заканчивается термодинамическим равновесием. Другими словами, все участники в конечном счете входят в состояние покоя. Жизнь, однако, протекает вне термодинамического равновесия. Это происходит потому, что живые системы не остаются в покое, а используют энергию для достижения чего-то (например, собственного размножения). Суроприя Саха и ее коллеги учитывают это поведение, расширяя уравнение Кана-Хиллиарда параметром, характеризующим невзаимную деятельность. Таким образом, теперь они могут также описывать процессы, которые в какой-либо степени отличаются от пассивных процессов.
Саха и ее коллеги использовали компьютерное моделирование для изучения эффектов введенных модификаций. "Удивительно, но даже минимальная невзаимность приводит к радикальным отклонениям от поведения пассивных систем", - говорит Саха. Например, исследователь наблюдал образование бегущих волн в смеси двух различных типов частиц. В этом явлении полосы одного компонента преследуют полосы другого компонента, тем самым приводя к узору движущихся полос. Кроме того, в смесях частиц могут образовываться сложные решетки, в которых небольшие кластеры одного компонента преследуют группы другого компонента. Своей работой исследователи надеются внести свой вклад в научный прогресс как в физике, так и в биологии. Например, новая модель может описывать и предсказывать поведение различных клеток, бактерий или ферментов. “Мы научили старую собаку новым трюкам с этой моделью", - говорит Голестанян. "Наши исследования показывают, что физика вносит свой вклад в наше понимание биологии и что проблемы, связанные с изучением живой материи, открывают новые возможности для фундаментальных исследований в физике"”