Introduktion
I et solrigt laboratorium på Massachusetts Institute of Technology kæmpede to søstjerner om deres bytte. Overlappende arme spændte et stykke optøende cocktailrejer mod siden af tanken. Tusindvis af sugekopper bølgede rasende mod glasset, mens hver pighud kæmpede for at nå frem til sin egen mave.
Fysikeren Nikta Fakhri så på med et grin. Ikke mange fysikere holder havlivet i deres laboratorier, men Fakhri har lært at passe søstjerner næsten lige så godt, som en havbiolog ville. Og nu udvider hun sit menageri; da en reporter besøgte for nylig, ventede et par kampvogne på den forestående ankomst af søpindsvin.
Fakhri har henvendt sig til pighuder i håbet om at besvare et ældgammelt spørgsmål: Hvad er liv? Eller i en moderne formulering: Hvordan kan proteiners og cellers mikroskopiske operationer føje op til et sammenstød mellem sultne søstjerner?
I søgen efter at forstå, hvordan drejning af biologiske gear producerer den usigeligt komplekse forretning ved at leve, fandt Fakhri det naturligt at vende sig til fysik - et felt, der er dygtig til at forbinde mikroskopiske og makroskopiske fænomener. Fysikere har erfaret, at temperatur opstår fra molekylernes bevægelser, magnetisme fra atomernes orienteringer og superledning fra sammenkoblingen af elektroner. Måske kan livet også elegant beskrives som en egenskab, der kan opstå under de rette omstændigheder.
Men hvilke omstændigheder?
Ved at granske søstjernefostre har Fakhri gjort fremskridt i retning af at redegøre for disse omstændigheder ved hjælp af begreber fra fysik. Hun bemærker, at livet, ligesom andre materiens tilstande, "bryder symmetri" - et embryos vækst adskiller for eksempel dets fortid fra dets fremtid. Fakhri har udvidet sproget for symmetri-brydende til at beskrive, hvordan proteiner og andre bittesmå biologiske komponenter konspirerer for at muliggøre bevægelse, reproduktion og andre kendetegn ved livet. Undervejs har hun observeret en bizar ny tilstand af stof, der kan hjælpe livet med at påvirke omgivelserne.
Fakhri voksede op i Teheran, Iran. På trods af det undertrykkende miljø for kvinder støttede hendes forældre hendes uddannelse, og hun kom til sidst til at lede institutioner i udlandet. Sidste år anerkendte American Physical Society hende med sin Early Career Award for Soft Matter Research, for "banebrydende og inspirerende udviklinger." Quanta's nylige samtale med Fakhri i hendes laboratorium på MIT-campus er blevet kondenseret og redigeret for klarhedens skyld.
Hvad er problemet med biologi, og hvordan kan fysik hjælpe?
Biologi er et felt, der virkelig er defineret af dets molekyler. Det har haft stor succes med at identificere livets komponenter og mikroskopiske mekanismer. Selvfølgelig er det vigtigt at kende detaljerne, men der er stadig en stor kløft mellem at forstå, hvordan f.eks. et protein forbruger energi og at forstå, hvordan det at sætte alle disse dele sammen giver en virkelighedstro adfærd.
Fysik har et noget andet syn. Vi ønsker at forstå de principper, der forklarer ting på tværs af forskellige skalaer, fra de helt små til de helt store, ved at bruge en slags universelt sprog. For eksempel tænkte vi engang på varme som en væske. Men med termodynamik var vi i stand til at redegøre for temperatur som molekylernes bevægelse.
I tilfældet med liv vil vi gerne vide: Hvordan går man fra energispredning på enkeltpartikelniveau helt op til en flok fugle?
Det virker som et højt mål, i betragtning af at en fugl er meget mere kompliceret end et molekyle. Kunne ideer så simple som dem, der har defineret temperatur, virkelig anvendes på levende organismer?
Livet er uden tvivl komplekst ud over det, vi er vant til i fysik, men jeg synes, det er en spændende udfordring. Tidligere har fysikken vist, at denne tilgang med at forsøge at forstå en enhed som mere end summen af dens dele er kernen i mange komplekse fænomener. Jeg vil gerne være optimistisk over, at fysiske regler kan tillade os at forstå, hvad der kan være den ultimative kompleksitet i verden.
Hvad er den primære udfordring i at udvikle fysiske rammer for livet?
I fysik har vi brug for et system til at være i ligevægt for at definere næsten hvad som helst. Ligevægt er det, der lader os forstå trykket af en gas blot ved at kende antallet af molekyler i en kasse, uden at bekymre os om, hvilken slags molekyler de er, eller hvad kassen er lavet af. Det er en utrolig præstation, som vi ofte tager for givet. Men livet er ikke i ligevægt. Der er et berømt ordsprog, der siger, at når et levende system når ligevægt, er det dødt. Med livet er der et konstant skift mellem forskellige typer stabilitet - som hvordan du går fra vågen til søvn og tilbage til vågen igen. Vi er nødt til at udvikle måder at forstå, hvordan et levende system ændrer sig fra en sådan steady state til en anden.
Dette regnskab kan også berige fysikken. Fysik har været meget vellykket, men den er ikke rigtig udstyret til at håndtere levende systemers uligevægtsnatur.
Hvilken slags ramme kan være i stand til at håndtere livets konstante forandringer?
Nøglen til at forstå overgange fra en tilstand af et system til en anden er symmetri-brydende. Det klassiske eksempel er et metal, der bliver magnetiseret. I starten har du partikler, der peger hver vej - metallet har "rotationssymmetri", fordi hver retning ser ens ud fra en partikels synspunkt. Så tænder du for et magnetfelt, og pludselig orienterer alle partiklerne sig i én særlig retning og bryder symmetrien.
Du kan derefter definere, hvad der kaldes en ordensparameter, som er en vigtig måde at gå fra én partikel til en beskrivelse af mange partikler. I en magnet er rækkefølgeparameteren pilen ved hvert punkt, der fortæller dig, i hvilken retning en flok nærliggende partikler i gennemsnit peger. Ordreparameteren giver dig mulighed for at forstå, hvad den brudte symmetri er, og hvad der sker under en overgang. Men at finde den rigtige rækkefølgeparameter er en kunst.
Det er en stor del af det, vi forsøger at gøre med vores modelsystem, søstjerneægceller. Vi beskriver, hvordan de ændrer sig i form af rækkefølgeparametre og brudte symmetrier.
Introduktion
Hvorfor søstjerneægceller?
En fysiktilgang kræver modelsystemer med rig adfærd og selvorganisering på forskellige skalaer. Da jeg kom til MIT, var der en gruppe i biologiafdelingen, der tænkte på søstjerner som et modelsystem. Efterhånden som vi snakkede, blev det mere og mere klart for mig, at den havde alt, hvad vi havde brug for.
Nu er jeg endnu mere overbevist. Denne sommer tilbragte jeg noget tid på Marine Biological Laboratory i Woods Hole. Søstjerner er pighuder, og vi legede med andre pighuder som søpindsvin og sanddollars. Jeg blev bare blæst omkuld af skønheden ved havlivet, og hvordan alle pighuder går fra denne runde, symmetriske ægcelle til en pentameral brudt symmetri. Bare denne lille gren af livet har så meget symmetrisk at studere.
Så hvordan definerer symmetri-brydende livet?
Den vigtigste brudte symmetri er tid.
Jeg starter altid mine samtaler med en video af et embryo, der udvikler sig, men jeg afspiller det baglæns. Når jeg viser det til biologer, siger de med det samme: "Det her er ikke rigtigt. Celler smelter aldrig sammen."
Zoom ind, og tidens pil er ikke så skarp. Som postdoc-forsker studerede jeg bevægelserne af kulstofnanorør inde i menneskelige celler. For det blotte øje ser deres jiggling tilfældigt ud, det samme uanset om du afspiller videoen frem eller tilbage. Men når vi målte jigglingen af nanorørene i detaljer, syntes udsvingene at være meget højere end hvad du ville forvente at se i ligevægt ved stuetemperatur. De bevægede sig, som om cellen havde en temperatur på 1,000 grader. Hvor kom disse ekstra udsving fra? De skulle relateres til det faktum, at cellerne, i modsætning til en magnet i ligevægt, kontinuerligt forbrugte energi og brugte den til at leve, for at etablere en pil af tid.
Det arbejde åbnede hele min verden for disse fantastiske ikke-ligevægtssystemer, og jeg dykkede dybere ned i biofysikken.
Introduktion
Så ligevægtssystemer svinger på tilfældige måder, som i gennemsnit ikke giver meningsfulde ændringer. Men ikke-ligevægtssystemer som levende ting kan svinge i mere organiserede mønstre - og kimen til den organisation skal eksistere selv på det mikroskopiske niveau, selvom alt ser tilfældigt ud dernede. Var du i stand til at få øje på disse frø af koordination?
I et andet projekt studerede jeg vibrationerne af cilia omkring nyreceller. Cilia er de små hår, som celler bruger til at svømme eller fornemme deres omgivelser, og de vibrerer også på en måde, der ser tilfældig ud. Men vi fandt ud af, at hvis du deler deres vibrationer ned i et par grundlæggende bevægelser, kunne vi det identificere et gentaget mønster — en cyklus — i hvordan hvert cilium blandede de grundlæggende bevægelser.
Den slags cyklus er et tegn på, at dit system ikke er i ligevægt, at det har en pil af tid. Vi lærte senere, hvordan man bruger retningen og størrelsen af cyklussen til at finde ud af, hvor langt cellerne var ude af ligevægt.
Du bruger også symmetri-breaking til at forstå, hvordan søstjernefostre vokser.
Ægceller deler sig igen og igen, efterhånden som de vokser til et embryo, og hver deling er et spektakulært eksempel på symmetribrud i både tid og rum. På en eller anden måde fortæller små proteiner den gigantiske celle, hvornår og hvor den skal begynde at dele sig. For et protein er ethvert sted og ethvert øjeblik lige så godt som et andet. Så hvordan bryder de symmetri, så cellen deler sig her og nu?
Nå, hvordan gør de?
Der er et nøglesignalprotein, kaldet Rho-GTP, der fortæller cellens "muskler" at trække sig sammen og overføre en kraft, der fører til celledeling. Da vi sporede, hvor mange af disse proteiner, der tændte under celledeling, så vi, at deres aktivitetsniveauer tog form af disse krusninger, der spredte sig over hele cellens overflade. Spørgsmålet var: Hvordan kunne vi karakterisere disse krusninger? Hvad er deres ordreparameter?
Introduktion
Vi fandt ud af, at hvis vi optog en film med krusningerne og zoomede ind på kun én pixel, steg dens lysstyrke og faldt som en bølge. Det gjorde nabopixlen også, men dens bølge var lidt ude af trit med den første. Efter lidt forsøg og fejl valgte vi at bruge hvor meget disse to bølger var ude af trit som vores ordreparameter.
Det er her, det bliver interessant. Vi fandt ud af, at der var steder, hvor bølgen bare stopper. Nu elsker jeg det her. Disse pletter opfører sig nøjagtigt som ladede partikler, som fysikere har masser af erfaring med. Det er som om de havde en ladning på plus eller minus 1 alt efter om de roterer med eller mod uret. Nogle gange skabes modsat ladede par, og nogle gange udsletter de hinanden. Nu har vi hele dette sprog til at forklare, hvordan dette system er selvorganiserende i rum og tid. Vi mener, at disse partikler er de organiserende centre for kraftgenerering. De styrer egenskaberne af de bølger, der fortæller cellen, hvornår og hvor den skal dele sig.
Du har brugt fysik til at forstå, hvad der foregår i en celle. Er du flyttet til niveauet for flercellede organismer?
Hvis du lader cellerne blive ved med at dele sig, får du dybest set denne pil fremad. Til sidst har du millioner og atter millioner af celler, der danner ét søstjerne-embryo. Embryonet har flimmerhår, og på et tidspunkt begynder flimmerhårene at slå synkront, og embryoet begynder at svømme rundt. Den svømmer i en snurrende proptrækkerbevægelse, der kan tiltrække andre roterende embryoner.
Introduktion
En morgen kom vi ind i laboratoriet, og mine elever bemærkede, at en flok embryoner havde klumpet sig sammen på vandoverfladen. Og klyngerne - som vi kom til at kalde "levende krystaller" - snurrede også rundt og brød symmetrien mellem retningerne med uret og mod uret. Dette system har så mange typer symmetribrud!
Hvad kan du lære af disse levende krystaller?
Når du peger et kamera ned mod krystallen og roterer det med samme hastighed, så du ikke kan se rotationen, kan du se, at hele krystallen ser ud til at vifte forsigtigt med langsomme bølger.
Samtidig med at vi studerede dette, var Vincenzo Vitellis gruppe i Chicago arbejder med en teori hvor man som udgangspunkt har to partikler med interne batterier, der spinder i forhold til hinanden. Disse partikler kan faktisk trodse Newtons tredje bevægelseslov: Der er ingen ens handling og reaktion. Den første partikel påvirker den anden anderledes end den anden påvirker den første.
Introduktion
Hvis jeg har et materiale lavet af disse roterende partikler, kaldet et "ulige" materiale, når jeg skubber på det, får de ubalancerede interaktioner mellem partikler materialet til at rotere. Det er som om du har en top, og når du trykker ned, begynder den at snurre. Chicago-gruppen forudsagde, at under visse forhold kunne disse rotationer synkroniseres for at skabe vedvarende svingninger.
Denne undersøgelse af mærkelige materialer i levende systemer var helt teoretisk, indtil vi viste, at med vores krystaller af søstjernefostre, som forbrænder energi til at spinde på lignende måde, kan du virkelig få disse vedvarende svingninger.
Bruger søstjerneembryoner denne mærkelige egenskab til at gøre noget nyttigt?
Måske! Søstjerner gyder i tidevandsbassiner, hvor temperaturen ændrer sig meget. Så en idé er, at embryonerne samles ligesom en flok fugle og bruger deres kollektive adfærd som en måde at opvarme eller afkøle deres miljø på ved at styre energistrømmen.
Hvad er betydningen af denne opdagelse?
Vi byggede en krystal ud af biologiske partikler og fik noget, der aldrig er set før, hvilket åbner op for en række nye spørgsmål.
For eksempel har vi altid tænkt på celler som havende ligevægtsegenskaber med en vis aktivitet. Men hvad nu hvis systemet først og fremmest er defineret af dets ude af ligevægt aktivitet, som disse mærkelige materialer er? Cellerne bruger denne mærkelighed, måske for at holde sig selv kolde. Hvad hvis andre levende systemer også udnytter egenskaber som særhed til grundlæggende funktioner? Hvad hvis du har brug for denne ramme for at forstå, hvordan muskler fungerer?
Et andet spørgsmål er: Hvilke materialer kan vi være i stand til at bygge, når vi bedre forstår, hvordan levende materialer fungerer? Lige nu er vi bundet af de fysiske love, som vi kender. Men måske kan denne form for forskning give os et stort spring i, hvilke slags funktioner vi kan få materialer til at udføre.
Det næste store skridt bliver, om vi kan skabe en sammenhæng mellem de mængder, vi har lært at måle, og biologiske funktioner. Et afgørende træk ved levende systemer er, at de har et formål. I de kommende år er min drøm at forbinde bestemte funktioner, f.eks. en bestemt type cellemobilitet, med tal, vi kan måle, såsom energispredning. At finde denne form for forbindelse er et meget større mål.
- SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
- Platoblokkæde. Web3 Metaverse Intelligence. Viden forstærket. Adgang her.
- Kilde: https://www.quantamagazine.org/starfish-whisperer-develops-a-physical-language-of-life-20230111/
- 000
- 1
- a
- I stand
- Om
- Konto
- Bogføring og administration
- præstation
- tværs
- Handling
- aktivitet
- faktisk
- Tilføjer
- Efter
- mod
- ældgamle
- Alle
- tillader
- altid
- forbløffende
- amerikansk
- ,
- En anden
- anvendt
- tilgang
- omkring
- ankomst
- Kunst
- gennemsnit
- tildeling
- tilbage
- grundlæggende
- I bund og grund
- batterier
- Skønhed
- fordi
- blive
- før
- Tro
- Bedre
- mellem
- Beyond
- Big
- større
- biologi
- Biofysik
- Fugle
- Bound
- Boks
- Branch
- Pause
- Breaking
- Broken
- bygge
- bygget
- Bunch
- brænde
- virksomhed
- ringe
- kaldet
- værelse
- Campus
- Kan få
- kulstof
- nanorør af kulstof
- hvilken
- Karriere
- tilfælde
- Celler
- Centers
- vis
- udfordre
- lave om
- Ændringer
- karakterisere
- afgift
- opladet
- Chicago
- omstændigheder
- klarhed
- Clash
- Classic
- klar
- cocktail
- kollektive
- Kom
- kommer
- komplekse
- kompleksitet
- kompliceret
- komponenter
- begreber
- betingelser
- Tilslut
- tilslutning
- konstant
- kontrakt
- kontrol
- Samtale
- Cool
- koordinering
- kunne
- Par
- Kursus
- skabe
- oprettet
- Krystal
- døde
- dybere
- definere
- Afdeling
- Afhængigt
- beskrive
- beskrevet
- beskrivelse
- Trods
- detail
- detaljer
- udvikle
- udvikling
- udvikling
- udvikler
- DID
- forskellige
- lede
- retning
- opdagelse
- Afdeling
- dollars
- Dont
- ned
- drøm
- i løbet af
- hver
- Uddannelse
- elektroner
- fremgår
- muliggøre
- energi
- berige
- Hele
- Miljø
- miljøer
- Equilibrium
- udstyret
- fejl
- etablere
- Endog
- til sidst
- at alt
- præcist nok
- eksempel
- spændende
- ekspanderende
- forvente
- erfaring
- Forklar
- Exploit
- ekstra
- øje
- berømt
- Feature
- få
- felt
- Figur
- finde
- Fornavn
- Flock
- flow
- svinge
- udsving
- Tving
- fremmest
- formular
- Videresend
- fundet
- Framework
- fra
- funktioner
- fremtiden
- kløft
- GAS
- generation
- få
- Giv
- given
- glas
- Go
- mål
- gå
- godt
- bevilget
- gruppe
- Grow
- Vækst
- håndtere
- sker
- have
- Hjerte
- hjælpe
- link.
- højere
- Hole
- håber
- Hvordan
- How To
- Men
- HTTPS
- menneskelig
- Hungry
- idé
- ideer
- identificere
- vigtigt
- in
- utrolige
- indflydelse
- i første omgang
- inspirerende
- instans
- Institut
- institutioner
- interaktioner
- interessant
- interne
- undersøgelse
- Iran
- IT
- sluttede
- hoppe
- bare en
- Holde
- Nøgle
- nyre
- Venlig
- Kend
- Kendskab til
- lab
- laboratorium
- Labs
- Sprog
- stor
- Efternavn
- Sidste år
- Lov
- Love
- førende
- Leads
- LÆR
- lærte
- Lets
- Niveau
- niveauer
- Livet
- Linking
- lidt
- leve
- levende
- ophøjede
- kiggede
- UDSEENDE
- Lot
- kærlighed
- lavet
- Magnetfelt
- Magnetisme
- lave
- mange
- Massachusetts
- Massachusetts Tekniske Institut
- materiale
- materialer
- Matter
- meningsfuld
- måle
- Flet
- metal
- måske
- millioner
- MIT
- Blanding
- mobilitet
- model
- Moderne
- molekyle
- øjeblik
- mere
- Morgen
- mest
- bevægelse
- bevægelse
- bevæger sig
- film
- Natural
- Natur
- næsten
- Behov
- Ny
- næste
- Noter
- nummer
- numre
- ocean
- ONE
- åbnet
- åbner
- Produktion
- Optimistisk
- ordrer
- organisation
- Organiseret
- organisering
- Andet
- egen
- parring
- par
- parameter
- parametre
- forældre
- del
- særlig
- dele
- forbi
- mønstre
- Udfør
- måske
- fysisk
- Fysik
- pixel
- plato
- Platon Data Intelligence
- PlatoData
- Leg
- spillet
- plus
- Punkt
- Synspunkt
- Pools
- forudsagde
- tryk
- primære
- principper
- præmie
- Problem
- skrider frem
- projekt
- egenskaber
- ejendom
- Protein
- Proteiner
- formål
- Skub ud
- Sætte
- Quantamagazin
- Quest
- spørgsmål
- Spørgsmål
- tilfældig
- rækkevidde
- når
- reaktion
- nylige
- for nylig
- anerkendt
- registreres
- relaterede
- reporter
- reproduktion
- Kræver
- forskning
- forsker
- Rich
- Værelse
- ROSE
- rundt
- regler
- samme
- SAND
- skalaer
- Videnskab
- HAV
- Anden
- frø
- syntes
- synes
- forstand
- skarp
- SKIFT
- Vis
- vist
- side
- underskrive
- betydning
- lignende
- Simpelt
- Størrelse
- langsom
- lille
- So
- Samfund
- Soft
- nogle
- noget
- noget
- Space
- særligt
- specifikke
- spektakulære
- hastighed
- brugt
- Spin
- delt
- Spot
- Spredning
- Stabilitet
- Søstjerne
- starte
- starter
- Tilstand
- Sagenes tilstand
- Stater
- steady
- Trin
- Stadig
- stopper
- Studerende
- studeret
- Studere
- studere
- vellykket
- sådan
- sommer
- Superledning
- Understøttet
- overflade
- svømmer
- Kontakt
- systemet
- Systemer
- Tag
- tager
- Talks
- tanke
- mål
- Teknologier
- Teheran
- fortæller
- vilkår
- verdenen
- deres
- selv
- teoretisk
- Der.
- ting
- Tænker
- Tredje
- tænkte
- tusinder
- Tide
- tid
- til
- sammen
- også
- top
- mod
- overgang
- overgange
- transmittere
- retssag
- TUR
- Drejede
- Drejning
- typer
- ultimativ
- under
- forstå
- forståelse
- utvivlsomt
- enhed
- Universal
- us
- brug
- forskellige
- video
- Specifikation
- besøgte
- Wave
- bølger
- måder
- WebP
- Hvad
- Hvad er
- hvorvidt
- som
- vilje
- uden
- Dame
- Træ
- Arbejde
- world
- ville
- år
- år
- Du
- Din
- zephyrnet