概要
マサチューセッツ工科大学の日当たりの良い研究室で、XNUMX 匹のヒトデが獲物をめぐって争いました。 重なり合う腕が、解凍中のカクテルシュリンプの塊をタンクの側面に固定しました。 それぞれの棘皮動物が自分の口に向かって賞品をインチングするのに苦労している間、何千もの吸盤がガラスに対して猛烈に波打った。
物理学者 ニクタ・ファクリ にやりと笑って見た。 多くの物理学者が研究室で海洋生物を飼っているわけではありませんが、Fakhri は海洋生物学者とほぼ同じようにヒトデの世話をすることを学びました。 そして今、彼女は動物園を拡大しています。 記者が最近訪れたとき、いくつかのタンクがウニの差し迫った到着を待っていました.
Fakhri は、古くからの疑問に答えることを期待して、棘皮動物に目を向けました: 生命とは何ですか? または、ある現代的な定式化では、タンパク質と細胞の微視的な操作がどのように飢えたヒトデの間の衝突につながるのでしょうか?
生物のギアの回転が言葉では言い表せないほど複雑な生活ビジネスを生み出す仕組みを理解するために、Fakhri は、微視的現象と巨視的現象を結びつけることに長けた物理学に目を向けるのは自然なことであると考えました。 物理学者は、温度は分子の運動から、磁性は原子の向きから、超伝導は電子のペアリングから生じることを学びました。 人生もまた、適切な状況下で現れる財産としてエレガントに説明できるかもしれません。
しかし、どのような状況ですか?
ヒトデの胚を精査することで、Fakhri は物理学の概念を使用してこれらの状況を説明することに向けて前進しました。 彼女は、物質の他の状態と同様に、生命は「対称性を破る」と述べています。たとえば、胚の成長は過去と未来を区別します。 Fakhri は、対称性破りの言葉を拡張して、タンパク質やその他の小さな生物学的構成要素がどのように共謀して運動、生殖、その他の生命の特徴を可能にするかを説明しました。 その過程で、彼女は生命がその環境に影響を与えるのを助けるかもしれない奇妙な新しい物質の状態を観察しました.
ファクリはイランのテヘランで育ちました。 女性に対する抑圧的な環境にもかかわらず、彼女の両親は彼女の教育を支援し、最終的に彼女は海外の主要な教育機関への道を歩み始めました。 昨年、アメリカ物理学会は彼女を ソフトマター研究奨励賞、「画期的で刺激的な開発」に対して。 クアンタMIT キャンパスの彼女の研究室での Fakhri との最近の会話は、明確にするために要約および編集されています。
生物学の何が問題で、物理学はどのように役立つのでしょうか?
生物学は、その分子によって実際に定義される分野です。 生命の構成要素と微視的なメカニズムを特定することに非常に成功しています。 もちろん、詳細を知ることは重要ですが、たとえばタンパク質がどのようにエネルギーを消費するかを理解することと、これらすべての部分がどのように組み合わさって生きているような行動になるかを理解することの間には、まだ大きな隔たりがあります.
物理学は少し異なる見方をします。 私たちは、ある種の普遍的な言語を使用して、非常に小さなものから非常に大きなものまで、さまざまなスケールで物事を説明する原理を理解したいと考えています。 たとえば、私たちはかつて熱を流体と考えていました。 しかし、熱力学により、温度を分子の動きとして説明することができました。
生命の場合、私たちは知りたいです: 単一粒子レベルでのエネルギー散逸から鳥の群れまで、どのように行きますか?
鳥は分子よりもはるかに複雑であることを考えると、それは非常に高い目標のように思えます。 温度を定義したような単純なアイデアが、実際に生物に有効に適用できるでしょうか?
人生は間違いなく私たちが物理学で慣れ親しんだものを超えて複雑ですが、それはエキサイティングな挑戦だと思います. 過去に、物理学は、単位をその部分の合計以上のものとして理解しようとするこのアプローチが、多くの複雑な現象の中心にあることを示してきました. 私は、物理法則によって世界の究極の複雑性を理解できるようになるかもしれないと楽観視したいと思います。
生命のための物理的な枠組みを開発する上での主な課題は何ですか?
物理学では、ほぼすべてのものを定義するために平衡状態にあるシステムが必要です。 平衡とは、分子の種類や箱が何でできているかを気にせずに、箱の中の分子の数を知るだけで気体の圧力を理解できるようにするものです。 これは、私たちがしばしば当然のことと考えている驚くべき成果です。 しかし、人生は均衡していません。 生命システムが平衡に達したとき、それは死んでいるという有名なことわざがあります。 人生では、さまざまな種類の安定性の間で絶え間ない変化があります。たとえば、起きている状態から眠りに落ち、また起きている状態に戻る方法などです。 生物系がそのような定常状態から別の定常状態にどのように変化するかを理解する方法を開発する必要があります。
このアカウンティングは、物理学を豊かにすることもできます。 物理学は非常に成功していますが、生物系の非平衡性を扱うには十分ではありません。
人生の絶え間ない変化に対処できるフレームワークとはどのようなものでしょうか?
システムのある状態から別の状態への遷移を理解する鍵は、対称性の破れです。 古典的な例は、磁化される金属です。 最初は、あらゆる方向を向いている粒子があります。粒子の視点からはすべての方向が同じに見えるため、金属には「回転対称性」があります。 次に、磁場のスイッチを入れると、突然、すべての粒子が特定の方向に向きを変え、対称性が崩れます。
次に、オーダー パラメーターと呼ばれるものを定義できます。これは、XNUMX つの粒子から多くの粒子の記述に移行するための重要な方法です。 磁石では、順序パラメーターは各点の矢印であり、近くにある粒子の束が平均してどの方向を向いているかを示します。 順序パラメーターを使用すると、対称性の破れとは何か、遷移中に何が起こるかを理解できます。 しかし、適切な順序パラメーターを見つけることは芸術です。
これは、私たちがモデルシステムであるヒトデの卵細胞でやろうとしていることの大きな部分です. 順序パラメーターと対称性の破れに関して、それらがどのように変化するかを説明します。
概要
なぜヒトデの卵細胞?
物理学のアプローチには、さまざまなスケールでの豊富な動作と自己組織化を備えたモデル システムが必要です。 私がMITに入った頃、生物学部にヒトデをモデルシステムとして考えていたグループがありました。 話しているうちに、必要なものがすべて揃っていることがますます明らかになりました。
今、私はさらに確信しています。 この夏、私はウッズ ホールの海洋生物学研究所で過ごしました。 ヒトデは棘皮動物で、ウニやサンドダラーなどの他の棘皮動物と遊びました。 海洋生物の美しさと、すべての棘皮動物がこの丸い対称的な卵細胞から対称性の壊れた五量体へと変化する様子にただただ圧倒されました。 生命のこの小さな枝だけでも、研究すべき対称性の破れがたくさんあります。
では、対称性の破れは生命をどのように定義するのでしょうか?
最も重要な対称性の破れは時間です。
私はいつも胚が発生するビデオから話を始めますが、私はそれを逆再生します。 生物学者に見せると、すぐに「これは違う。 細胞が融合することはありません。」
ただし、ズームインすると、時間の矢はそれほど鋭くはありません。 私はポスドク研究員として、人間の細胞内でのカーボンナノチューブの動きを研究していました。 肉眼では、ビデオを順方向に再生しても逆方向に再生しても同じように、揺れがランダムに見えます。 しかし、私たちが ジグリングを測定した ナノチューブを詳細に調べてみると、ゆらぎは、室温での平衡状態で予想されるものよりもはるかに大きいように見えました。 それらは、セルが1,000度の温度を持っているかのように動きました。 これらの余分な変動はどこから来たのでしょうか? それらは、平衡状態の磁石とは異なり、細胞が継続的にエネルギーを消費し、それを使用して生き、時間の矢を確立するという事実に関連している必要がありました.
その仕事は、これらの驚くべき非平衡システムに私の全世界を開き、私は生物物理学に深く入り込みました.
概要
そのため、均衡システムはランダムに変動し、平均すると意味のある変化にはなりません。 しかし、生物のような非平衡システムは、より組織化されたパターンで変動する可能性があります。その組織の種は、たとえすべてがランダムに見えるとしても、顕微鏡レベルでも存在する必要があります. それらの調整の種を見つけることができましたか?
別のプロジェクトでは、腎臓細胞の周りの繊毛の振動を研究しました。 繊毛は、細胞が環境を泳いだり感知したりするために使用する小さな毛であり、ランダムに見える方法で振動します. しかし、彼らの振動をいくつかの基本的な動きに分解すると、 繰り返しパターンを特定する — サイクル — 各繊毛が基本的な動きをどのように混同しているか。
この種のサイクルは、システムが平衡状態になく、時間の矢があることを示す兆候です。 後で、サイクルの方向とサイズを使用して、細胞がどれだけ平衡状態から外れているかを把握する方法を学びました.
また、対称性の破れを使用して、ヒトデの胚がどのように成長するかを理解します。
卵細胞は胚に成長するにつれて何度も分裂し、各分裂は時間と空間の両方で対称性を破る見事な例です. どういうわけか、小さなタンパク質がいつどこで分裂を開始するかを巨大細胞に伝えます。 タンパク質にとって、どんな場所や瞬間も同じように良いものです。 では、細胞が今ここで分裂するように、どのようにして対称性を破るのでしょうか?
さて、彼らはどうですか?
Rho-GTP と呼ばれる重要なシグナル伝達タンパク質があり、細胞の「筋肉」に収縮を指示し、細胞分裂につながる力を伝達します。 細胞分裂中にこれらのタンパク質のスイッチがオンになっている数を追跡すると、それらの活性レベルが細胞の表面全体に広がるこれらの波紋の形をとることがわかりました. 問題は、これらの波紋をどのように特徴付けることができるかということでした。 注文パラメータは何ですか?
概要
その波紋を動画で撮影し、XNUMXピクセルだけ拡大すると、その明るさが波のように上下することがわかりました。 隣のピクセルもそうでしたが、その波は最初のものとは少しずれていました。 いくつかの試行錯誤の後、これら XNUMX つの波がどの程度ずれているかを次数パラメーターとして使用することにしました。
ここが興味深いところです。 ちょうど波が止まっているところもありました。 今、私はこれが大好きです。 これらのスポット 荷電粒子とまったく同じように振る舞う、物理学者が多くの経験を持っています。 時計回りか反時計回りかで、プラスマイナス1の電荷を持っているようなものです。 反対に帯電したペアが作成されることもあれば、互いに消滅することもあります。 これで、このシステムが空間的および時間的にどのように自己組織化するかを説明するためのこの言語全体ができました。 私たちは、これらの粒子が力生成の組織化中心であると考えています。 それらは、いつどこで分裂するかを細胞に伝える波の特性を制御します。
細胞内で何が起こっているかを理解するために物理学を使用しました。 多細胞生物のレベルに移動しましたか?
細胞が分裂し続けるようにすると、基本的にこの時間の進行の矢印が得られます。 最終的には、何百万もの細胞が XNUMX つのヒトデの胚を形成します。 胚には繊毛があり、ある時点で繊毛が同期して鼓動し始め、胚が泳ぎ始めます。 それは回転するコルク抜きの動きで泳ぎ、他の回転する胚を引き付けることができます.
概要
ある朝、私たちが研究室に入ると、学生たちは水面にたくさんの胚が集まっていることに気づきました。 そして、私たちが「生きた結晶」と呼ぶようになったクラスターも回転しており、時計回りと反時計回りの対称性を破っていました。 このシステムには非常に多くの種類の対称性の破れがあります!
これらの生きた結晶から何を学ぶことができますか?
カメラを水晶に向けて同じ速度で回転させ、回転が見えないようにすると、水晶全体がゆっくりとした波紋で穏やかに揺れているように見えることがわかります。
私たちがこれを研究していたのと同時に、シカゴのヴィンチェンツォ・ヴィテッリのグループは 理論に取り組んでいます ここでは基本的に、互いに回転する内部バッテリーを備えた XNUMX つの粒子があります。 これらの粒子は、実際にはニュートンの運動の第 XNUMX 法則に逆らうことができます。同じ作用と反作用は存在しません。 最初のパーティクルが XNUMX 番目のパーティクルに与える影響は、XNUMX 番目のパーティクルが最初のパーティクルに与える影響とは異なります。
概要
「奇数」マテリアルと呼ばれるこれらの回転する粒子でできたマテリアルがある場合、それを押すと、パーティクル間の不均衡な相互作用によりマテリアルが回転します。 こまがあり、押し下げると回転し始めるようなものです。 シカゴのグループは、特定の条件下では、これらの回転が同期して持続的な振動を生み出す可能性があると予測しました。
生物系の奇妙な物質に関するこの調査は、エネルギーを消費して同様の方法でスピンするヒトデの胚の結晶を使用して、実際に これらの持続的な振動.
ヒトデの胚は、この奇妙な性質を利用して何か役に立つことはありますか?
多分! ヒトデは、温度が大きく変化する潮だまりに産卵します。 つまり、胚はまるで鳥の群れのように集まり、エネルギーの流れを指示することによって、環境を加熱または冷却する方法として集団行動を使用するという考えがあります.
この発見の意義は何ですか?
私たちは生体粒子から結晶を構築し、これまでに見たことのないものを得て、さまざまな新しい疑問を切り開きました。
たとえば、私たちは常に、細胞は何らかの活動を伴う平衡特性を持っていると考えていました。 しかし、これらの奇妙な物質がそうであるように、システムが何よりもまずその不均衡な活動によって定義されている場合はどうなるでしょうか? 細胞はこの奇妙さを利用して、おそらく自分自身を冷静に保ちます。 他の生物系も奇数性などの特性を基本機能として利用するとどうなるでしょうか? 筋肉の働きを理解するためにこのフレームワークが必要だとしたら?
もう XNUMX つの質問は、生きた材料の仕組みをよりよく理解した後、どのような材料を構築できるかということです。 今、私たちは知っている物理法則に縛られています。 しかし、この種の研究により、材料にどのような機能を持たせることができるかが飛躍的に向上する可能性があります.
次の大きなステップは、私たちが測定することを学んだ量と生物学的機能を関連付けることができるかどうかです. 生命システムの明確な特徴の XNUMX つは、目的があることです。 今後数年間の私の夢は、特定の機能、たとえば特定のタイプの細胞移動性を、エネルギー散逸などの測定可能な数値と関連付けることです。 この種の接続を見つけることは、はるかに大きな目標です。
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