Введение
В солнечной лаборатории Массачусетского технологического института две морские звезды боролись за свою добычу. Скрещенные руки прижали кусок размораживающейся коктейльной креветки к стенке бака. Тысячи присосок яростно бились о стекло, пока каждое иглокожее изо всех сил пыталось подтолкнуть добычу к собственной пасти.
Физик Никта Фахри смотрел с ухмылкой. Немногие физики держат океанскую жизнь в своих лабораториях, но Фахри научился заботиться о морских звездах почти так же хорошо, как это сделал бы морской биолог. И теперь она расширяет свой зверинец; когда репортер недавно побывал здесь, пара танков ожидала скорого прибытия морских ежей.
Фахри обратился к иглокожим в надежде ответить на извечный вопрос: что такое жизнь? Или, в одной современной формулировке: как микроскопические операции белков и клеток приводят к столкновению между голодными морскими звездами?
Стремясь понять, как вращение биологических механизмов приводит к невыразимо сложному жизненному процессу, Фахри счел естественным обратиться к физике — области, которая умеет связывать микроскопические и макроскопические явления. Физики узнали, что температура возникает из движения молекул, магнетизм — из ориентации атомов, а сверхпроводимость — из спаривания электронов. Возможно, жизнь тоже можно изящно описать как свойство, которое может проявиться при правильных обстоятельствах.
Но какие обстоятельства?
Тщательно изучая эмбрионы морских звезд, Фахри добился успехов в объяснении этих обстоятельств, используя концепции физики. Она отмечает, что, как и другие состояния материи, жизнь «нарушает симметрию» — например, рост эмбриона отличает его прошлое от будущего. Фахри расширил язык нарушения симметрии, чтобы описать, как белки и другие крошечные биологические компоненты взаимодействуют, чтобы обеспечить движение, размножение и другие признаки жизни. По пути она наблюдала странное новое состояние материи, которое может помочь жизни влиять на свое окружение.
Фахри вырос в Тегеране, Иран. Несмотря на репрессивную среду для женщин, ее родители поддержали ее образование, и в конце концов она попала в ведущие зарубежные учебные заведения. В прошлом году Американское физическое общество признало ее своей Премия за раннюю карьеру за исследования мягких материалов, за «новаторские и вдохновляющие разработки». QuantaНедавняя беседа Фахри с Фахри в ее лаборатории в кампусе Массачусетского технологического института была сокращена и отредактирована для ясности.
В чем проблема с биологией и как физика может помочь?
Биология — это область, которая действительно определяется ее молекулами. Он был очень успешным в идентификации компонентов и микроскопических механизмов жизни. Конечно, знать детали важно, но все еще существует большой разрыв между пониманием того, как, скажем, белок потребляет энергию, и пониманием того, как соединение всех этих частей вместе приводит к реалистичному поведению.
Физика придерживается несколько иного мнения. Мы хотим понять принципы, которые объясняют вещи в различных масштабах, от очень малого до очень большого, используя своего рода универсальный язык. Например, когда-то мы думали о тепле как о жидкости. Но с помощью термодинамики мы смогли объяснить температуру как движение молекул.
В случае с жизнью мы хотели бы знать: как перейти от рассеяния энергии на уровне одной частицы к стае птиц?
Это кажется высокой целью, учитывая, что птица намного сложнее молекулы. Могут ли такие простые идеи, как те, что определили температуру, действительно с пользой применяться к живым организмам?
Жизнь, несомненно, сложнее того, к чему мы привыкли в физике, но я думаю, что это захватывающая задача. В прошлом физика показала, что такой подход, заключающийся в попытке понять единицу как нечто большее, чем сумма ее частей, лежит в основе многих сложных явлений. Я хотел бы быть оптимистом в отношении того, что физические правила могут позволить нам понять, что может быть предельной сложностью в мире.
Что является основной задачей при разработке физической основы для жизни?
В физике нам нужна система, находящаяся в равновесии, чтобы определять что угодно. Равновесие — это то, что позволяет нам понять давление газа, просто зная количество молекул в ящике, не беспокоясь о том, какие это молекулы или из чего сделан ящик. Это невероятное достижение, которое мы часто принимаем как должное. Но жизнь не в равновесии. Есть известная поговорка, что когда живая система достигает равновесия, она мертва. В жизни происходит постоянное переключение между различными типами стабильности — например, когда вы переходите от бодрствования к сну и снова к бодрствованию. Нам необходимо разработать способы понимания того, как живая система переходит из одного устойчивого состояния в другое.
Этот учет может также обогатить физику. Физика добилась больших успехов, но на самом деле она не способна справиться с неравновесной природой живых систем.
Какая структура могла бы справиться с постоянными изменениями жизни?
Ключом к пониманию переходов из одного состояния системы в другое является нарушение симметрии. Классический пример — намагничивание металла. Изначально у вас есть частицы, направленные в разные стороны — металл обладает «вращательной симметрией», потому что все направления выглядят одинаково с точки зрения частицы. Затем вы включаете магнитное поле, и вдруг все частицы ориентируются в одном особом направлении, нарушая симметрию.
Затем вы можете определить то, что называется параметром порядка, который является важным способом перехода от одной частицы к описанию многих частиц. В магните параметр порядка — это стрелка в каждой точке, указывающая, в каком направлении в среднем указывает группа близлежащих частиц. Параметр порядка позволяет понять, что такое нарушенная симметрия и что происходит во время перехода. Но найти правильный параметр порядка — это искусство.
Это большая часть того, что мы пытаемся сделать с нашей модельной системой, яйцеклетками морских звезд. Мы описываем способы их изменения в терминах параметров порядка и нарушенных симметрий.
Введение
Почему яйцеклетки морских звезд?
Физический подход требует модельных систем с богатым поведением и самоорганизацией в различных масштабах. Когда я поступил в Массачусетский технологический институт, на кафедре биологии была группа, которая рассматривала морскую звезду как модельную систему. Пока мы разговаривали, мне становилось все более и более ясно, что в нем есть все, что нам нужно.
Теперь я еще больше убежден. Этим летом я провел некоторое время в морской биологической лаборатории в Вудс-Хоул. Морские звезды — это иглокожие, и мы играли с другими иглокожими, такими как морские ежи и морские ежи. Меня просто поразила красота морской жизни и то, как все иглокожие переходят от этой круглой, симметричной яйцеклетки к пятимерной нарушенной симметрии. Только эта крошечная ветвь жизни требует изучения множества нарушений симметрии.
Так как же нарушение симметрии определяет жизнь?
Наиболее важным нарушением симметрии является время.
Я всегда начинаю свои выступления с видео о развитии эмбриона, но проигрываю его в обратном порядке. Когда я показываю это биологам, они сразу же такие: «Это неправильно. Клетки никогда не сливаются».
Однако при увеличении масштаба стрела времени становится не такой резкой. Как научный сотрудник я изучал движение углеродных нанотрубок внутри клеток человека. Невооруженным глазом их покачивание выглядит случайным, независимо от того, проигрываете ли вы видео вперед или назад. Но когда мы измерил покачивания из нанотрубок в деталях флуктуации оказались намного выше, чем можно было бы ожидать в равновесии при комнатной температуре. Они двигались так, как будто в камере была температура 1,000 градусов. Откуда взялись эти дополнительные колебания? Они должны были быть связаны с тем, что, в отличие от магнита, находящегося в равновесии, клетки непрерывно потребляли энергию и использовали ее для жизни, для установления стрелы времени.
Эта работа открыла для меня весь мир этих удивительных неравновесных систем, и я глубже погрузился в биофизику.
Введение
Таким образом, равновесные системы колеблются случайным образом, что в среднем не приводит к значимым изменениям. Но неравновесные системы, такие как живые существа, могут колебаться более организованно — и семена этой организации должны существовать даже на микроскопическом уровне, даже если там все выглядит случайным. Удалось ли вам обнаружить эти семена координации?
В другом проекте я изучал колебания ресничек вокруг клеток почек. Реснички — это маленькие волоски, которые клетки используют, чтобы плавать или ощущать окружающую среду, и они также вибрируют так, что это выглядит случайным. Но мы обнаружили, что если разбить их вибрации на несколько основных движений, мы сможем определить повторяющийся узор — цикл — в том, как каждая ресничка смешивала основные движения.
Такой цикл — верный признак того, что ваша система не находится в равновесии, что в ней есть стрела времени. Позже мы научились использовать направление и размер цикла, чтобы выяснить, насколько клетки вышли из равновесия.
Вы также используете нарушение симметрии, чтобы понять, как растут эмбрионы морских звезд.
Яйцеклетки снова и снова делятся, превращаясь в эмбрион, и каждое деление является впечатляющим примером нарушения симметрии как во времени, так и в пространстве. Каким-то образом крошечные белки сообщают гигантской клетке, когда и где начать делиться. Для белка любое место и любой момент ничуть не хуже другого. Так как же они нарушают симметрию, чтобы клетка делилась здесь и сейчас?
Ну как они?
Существует ключевой сигнальный белок, называемый Rho-GTP, который заставляет клеточные «мышцы» сокращаться и передавать силу, которая приводит к делению клеток. Когда мы отследили, сколько из этих белков включается во время клеточного деления, мы увидели, что уровни их активности принимают форму этих волн, распространяющихся по всей поверхности клетки. Возник вопрос: как мы можем охарактеризовать эту рябь? Каков их параметр порядка?
Введение
Мы обнаружили, что если мы записали фильм с рябью и увеличили масштаб всего на один пиксель, его яркость поднималась и падала, как волна. Соседний пиксель тоже, но его волна немного не в ногу с первым. После некоторых проб и ошибок мы решили использовать то, насколько эти две волны расходятся, в качестве параметра нашего порядка.
Вот где становится интересно. Мы обнаружили, что были места, где волна просто останавливалась. Теперь, я люблю это. Эти пятна ведут себя точно так же, как заряженные частицы, с которыми физики имеют большой опыт. Это как если бы они имели заряд плюс или минус 1 в зависимости от того, вращаются ли они по часовой стрелке или против часовой стрелки. Иногда образуются противоположно заряженные пары, а иногда они аннигилируют друг друга. Теперь у нас есть весь этот язык, чтобы объяснить, как эта система самоорганизуется в пространстве и во времени. Мы полагаем, что эти частицы являются организующими центрами генерации силы. Они контролируют свойства волн, сообщающих клетке, когда и где делить.
Вы использовали физику, чтобы понять, что происходит в клетке. Вы перешли на уровень многоклеточных организмов?
Если вы позволите клеткам продолжать делиться, вы, по сути, получите эту стрелу времени. В конце концов у вас есть миллионы и миллионы клеток, формирующих один эмбрион морской звезды. У эмбриона есть реснички, и в какой-то момент реснички начинают биться синхронно, и эмбрион начинает плавать. Он плавает крутящимся штопором, который может привлекать других вращающихся эмбрионов.
Введение
Однажды утром мы пришли в лабораторию, и мои студенты заметили, что на поверхности воды слиплась куча эмбрионов. И скопления, которые мы стали называть «живыми кристаллами», тоже вращались, нарушая симметрию между направлениями по и против часовой стрелки. В этой системе так много типов нарушения симметрии!
Чему вы могли бы научиться у этих живых кристаллов?
Когда вы наводите камеру на кристалл и вращаете его с той же скоростью, чтобы не видеть вращения, вы можете видеть, что весь кристалл, кажется, слегка покачивается медленной рябью.
В то же самое время, когда мы изучали это, группа Винченцо Вителли в Чикаго была работа над теорией где в основном у вас есть две частицы с внутренними батареями, которые вращаются относительно друг друга. Эти частицы могут на самом деле бросить вызов третьему закону движения Ньютона: нет одинаковых действий и противодействий. Первая частица влияет на вторую иначе, чем вторая на первую.
Введение
Если у меня есть материал, состоящий из этих вращающихся частиц, называемый «нечетным» материалом, когда я нажимаю на него, неуравновешенные взаимодействия между частицами заставляют материал вращаться. Как будто у вас есть волчок, и когда вы нажимаете вниз, он начинает вращаться. Группа из Чикаго предсказала, что при определенных условиях эти вращения могут синхронизироваться, создавая устойчивые колебания.
Это исследование странных материалов в живых системах было полностью теоретическим, пока мы не показали, что с нашими кристаллами эмбрионов морских звезд, которые сжигают энергию для вращения аналогичным образом, вы действительно можете получить эти незатухающие колебания.
Используют ли эмбрионы морских звезд это странное свойство для чего-нибудь полезного?
Может быть! Морские звезды нерестятся в приливных бассейнах, где температура сильно меняется. Итак, одна из идей состоит в том, что эмбрионы собираются вместе, как стая птиц, и используют свое коллективное поведение как способ обогрева или охлаждения окружающей среды, направляя поток энергии.
Каково значение этого открытия?
Мы построили кристалл из биологических частиц и получили то, чего раньше никогда не видели, что открывает ряд новых вопросов.
Например, мы всегда думали о клетках как об обладающих равновесными свойствами с некоторой активностью. Но что, если система в первую очередь определяется своей неравновесной активностью, как эти странные материалы? Клетки используют эту странность, может быть, чтобы сохранить хладнокровие. Что, если другие живые системы также используют такие свойства, как странность, для основных функций? Что, если вам нужна эта структура, чтобы понять, как работают мышцы?
Другой вопрос: какие материалы мы сможем создавать, если лучше поймем, как работают живые материалы? Сейчас мы связаны известными нам физическими законами. Но, возможно, такого рода исследования могут дать нам большой скачок в том, какие функции мы можем выполнять с помощью материалов.
Следующим большим шагом будет то, сможем ли мы установить связь между величинами, которые мы научились измерять, и биологическими функциями. Одной из отличительных черт живых систем является то, что они имеют цель. В ближайшие годы я мечтаю связать определенные функции, скажем, определенный тип подвижности клеток, с числами, которые мы можем измерить, например, с диссипацией энергии. Найти такую связь — гораздо большая цель.
- SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
- Платоблокчейн. Интеллект метавселенной Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
- Источник: https://www.quantamagazine.org/starfish-whisperer-develops-a-physical-language-of-life-20230111/
- 000
- 1
- a
- в состоянии
- О нас
- Учетная запись
- Бухгалтерский учет
- достижение
- через
- Действие
- деятельность
- на самом деле
- Добавляет
- После
- против
- вековой
- Все
- позволяет
- всегда
- удивительный
- американские
- и
- Другой
- прикладной
- подхода
- около
- прибытие
- Искусство
- в среднем
- награда
- назад
- основной
- в основном
- батареи
- Бьюти
- , так как:
- становление
- до
- верить
- Лучшая
- между
- Beyond
- большой
- больший
- биология
- Биофизика
- птицы
- Граница
- Коробка
- Филиал
- Ломать
- Разрыв
- Сломанный
- строить
- построенный
- Группа
- гореть
- бизнес
- призывают
- под названием
- камера
- Кампус
- Может получить
- углерод
- углеродные нанотрубки
- заботится
- Карьера
- случаев
- Клетки
- Центры
- определенный
- вызов
- изменение
- изменения
- охарактеризовать
- заряд
- заряженный
- Чикаго
- обстоятельства
- ясность
- столкновение
- классический
- Очистить
- коктейль
- собирательный
- как
- приход
- комплекс
- сложность
- сложный
- компоненты
- понятия
- Условия
- Свяжитесь
- связи
- постоянная
- контракт
- контроль
- Разговор
- Холодные
- координация
- может
- Пара
- "Курс"
- Создайте
- создали
- Crystal
- мертвый
- более глубокий
- определяющий
- Кафедра
- в зависимости
- описывать
- описано
- описание
- Несмотря на
- подробность
- подробнее
- развивать
- развивающийся
- события
- развивается
- DID
- различный
- руководство
- направление
- открытие
- Разделение
- долларов
- Dont
- вниз
- мечта
- в течение
- каждый
- Обучение
- электронов
- возникает
- включить
- энергетика
- обогащать
- Весь
- Окружающая среда
- средах
- Равновесие
- оборудованный
- ошибка
- установить
- Даже
- со временем
- многое
- точно,
- пример
- захватывающий
- расширяющийся
- ожидать
- опыт
- Объяснять
- Эксплуатировать
- дополнительно
- Глаза
- знаменитый
- Особенность
- несколько
- поле
- фигура
- обнаружение
- Во-первых,
- стая
- поток
- колебаться
- колебания
- Форс-мажор
- в первую очередь
- форма
- вперед
- найденный
- Рамки
- от
- Функции
- будущее
- разрыв
- ГАЗ
- поколение
- получить
- Дайте
- данный
- стекло
- Go
- цель
- будет
- хорошо
- предоставленный
- группы
- Расти
- Рост
- обрабатывать
- происходит
- имеющий
- Сердце
- помощь
- здесь
- высший
- Отверстие
- надежды
- Как
- How To
- Однако
- HTTPS
- человек
- Голодный
- идея
- идеи
- идентифицирующий
- важную
- in
- невероятный
- повлиять
- первоначально
- вдохновляющий
- пример
- Институт
- учреждения
- взаимодействие
- интересный
- в нашей внутренней среде,
- ходе расследования,
- включая Иран
- IT
- присоединился
- Прыгать
- только один
- Сохранить
- Основные
- почка
- Вид
- Знать
- знание
- лаборатория
- лаборатория
- Labs
- язык
- большой
- Фамилия
- В прошлом году
- закон
- Законодательство
- ведущий
- Лиды
- УЧИТЬСЯ
- узнали
- Lets
- уровень
- уровни
- ЖИЗНЬЮ
- связывающий
- мало
- жить
- жизнью
- возвышенный
- смотрел
- ВЗГЛЯДЫ
- серия
- любят
- сделанный
- Магнитное поле
- Магнетизм
- сделать
- многих
- Массачусетс
- Массачусетский Технологический Институт
- материала
- материалы
- Вопрос
- значимым
- проводить измерение
- идти
- металл
- может быть
- миллионы
- MIT
- Смешивание
- мобильность
- модель
- Модерн
- молекула
- момент
- БОЛЕЕ
- утро
- самых
- движение
- движение
- движется
- кино
- натуральный
- природа
- почти
- Необходимость
- Новые
- следующий
- Заметки
- номер
- номера
- океан
- ONE
- открытый
- Откроется
- Операционный отдел
- Оптимистический
- заказ
- организация
- Организованный
- организации
- Другое
- собственный
- спаривание
- пар
- параметр
- параметры
- родители
- часть
- особый
- части
- мимо
- паттеранами
- Выполнять
- возможно
- физический
- Физика
- Pixel
- Платон
- Платон Интеллектуальные данные
- ПлатонДанные
- Играть
- играл
- плюс
- Точка
- Точка зрения
- Пулы
- предсказанный
- давление
- первичный
- Принципы
- приз
- Проблема
- прогрессирующий
- Проект
- свойства
- собственность
- Белкове продукты
- Белки
- цель
- Push
- Полагая
- Квантовый журнал
- поиск
- вопрос
- Вопросы
- случайный
- ассортимент
- доходит до
- реакция
- последний
- недавно
- признанный
- записанный
- Связанный
- репортер
- воспроизводство
- требуется
- исследованиям
- исследователь
- Богатые
- Комната
- ROSE
- год
- условиями,
- то же
- SAND
- Весы
- Наука
- МОРЕ
- Во-вторых
- семена
- казалось
- кажется
- смысл
- острый
- СДВИГАЯ
- показывать
- показанный
- сторона
- подпись
- значение
- аналогичный
- просто
- Размер
- медленной
- небольшой
- So
- Общество
- мягкая
- некоторые
- удалось
- в некотором роде
- Space
- особый
- конкретный
- эффектный
- скорость
- потраченный
- Вращение
- раскол
- Спотовая торговля
- Распространение
- Стабильность
- морская звезда
- Начало
- начинается
- Область
- Состояние материи
- Области
- устойчивый
- Шаг
- По-прежнему
- Останавливает
- Студенты
- учился
- Кабинет
- изучение
- успешный
- такие
- лето
- Сверхпроводимость
- Поддержанный
- Поверхность
- проплывает
- Коммутатор
- система
- системы
- взять
- принимает
- переговоры
- танки
- цель
- Технологии
- Тегеран
- говорит
- terms
- Ассоциация
- мир
- их
- сами
- теоретический
- Там.
- вещи
- мышление
- В третьих
- мысль
- тысячи
- Волна
- время
- в
- вместе
- слишком
- топ
- к
- переход
- переходы
- передавать
- суд
- ОЧЕРЕДЬ
- Оказалось
- Поворот
- Типы
- окончательный
- под
- понимать
- понимание
- несомненно
- Ед. изм
- Universal
- us
- использование
- различный
- Видео
- Вид
- посетили
- Wave
- волны
- способы
- WebP
- Что
- Что такое
- будь то
- , которые
- будете
- без
- Женщина
- Вудс
- Работа
- Мир
- бы
- год
- лет
- Ты
- ВАШЕ
- зефирнет