Beskrivning
I ett soligt labb vid Massachusetts Institute of Technology slogs två sjöstjärnor om sitt byte. Överlappande armar klämde fast en bit av tinande cocktailräkor mot sidan av tanken. Tusentals sugkoppar skvalpade ursinnigt mot glaset när varje tagghud kämpade för att flytta priset mot sin egen maw.
Fysikern Nikta Fakhri såg på med ett flin. Det är inte många fysiker som håller havslivet i sina labb, men Fakhri har lärt sig att ta hand om sjöstjärnor nästan lika bra som en marinbiolog skulle göra. Och nu utökar hon sitt menageri; När en reporter nyligen besökte, väntade ett par stridsvagnar på den förestående ankomsten av sjöborrar.
Fakhri har vänt sig till tagghudingar i hopp om att kunna svara på en urgammal fråga: Vad är liv? Eller, i en modern formulering: Hur kommer de mikroskopiska operationerna av proteiner och celler till en sammandrabbning mellan hungriga sjöstjärnor?
I strävan efter att förstå hur vridning av biologiska växlar producerar den outsägligt komplexa verksamheten att leva, fann Fakhri det naturligt att vända sig till fysiken - ett område som är skickligt på att koppla samman mikroskopiska och makroskopiska fenomen. Fysiker har lärt sig att temperatur uppstår från molekylernas rörelser, magnetism från atomernas orienteringar och supraledning från sammankopplingen av elektroner. Kanske kan livet också elegant beskrivas som en egenskap som kan växa fram under rätt omständigheter.
Men vilka omständigheter?
Genom att granska sjöstjärnembryon har Fakhri tagit steg mot att redogöra för dessa omständigheter med hjälp av begrepp från fysiken. Hon noterar att livet, liksom andra materiatillstånd, "bryter symmetri" - ett embryos tillväxt skiljer till exempel dess förflutna från dess framtid. Fakhri har utökat språket för symmetribrytande för att beskriva hur proteiner och andra små biologiska komponenter konspirerar för att möjliggöra rörelse, reproduktion och andra kännetecken för livet. Längs vägen har hon observerat ett bisarrt nytt tillstånd av materia som kan hjälpa livet att påverka sin omgivning.
Fakhri växte upp i Teheran, Iran. Trots den förtryckande miljön för kvinnor stödde hennes föräldrar hennes utbildning, och hon tog sig så småningom till ledande institutioner utomlands. Förra året erkände American Physical Society henne med sin Early Career Award för forskning om mjuk materia, för "banbrytande och inspirerande utveckling." Quantas senaste konversation med Fakhri i hennes labb på MIT-campus har kondenserats och redigerats för tydlighetens skull.
Vad är problemet med biologi, och hur kan fysiken hjälpa?
Biologi är ett område som verkligen definieras av sina molekyler. Det har varit mycket framgångsrikt när det gäller att identifiera livets komponenter och mikroskopiska mekanismer. Naturligtvis är det viktigt att känna till detaljerna, men det finns fortfarande ett stort gap mellan att förstå hur, säg, ett protein förbrukar energi och att förstå hur att sätta ihop alla dessa delar bidrar till ett verklighetstroget beteende.
Fysiken har en lite annan syn. Vi vill förstå principerna som förklarar saker över olika skalor, från de mycket små till de mycket stora, med hjälp av ett slags universellt språk. Till exempel tänkte vi en gång på värme som en vätska. Men med termodynamik kunde vi redogöra för temperatur som molekylers rörelse.
När det gäller liv skulle vi vilja veta: Hur går man från energiförlust på enpartikelnivå hela vägen upp till en flock fåglar?
Det verkar vara ett högt mål, med tanke på att en fågel är mycket mer komplicerad än en molekyl. Skulle så enkla idéer som de som har definierat temperatur verkligen kunna tillämpas på levande organismer?
Livet är utan tvekan komplext utöver vad vi är vana vid inom fysiken, men jag tycker att det är en spännande utmaning. Tidigare har fysiken visat att detta tillvägagångssätt att försöka förstå en enhet som mer än summan av dess delar är kärnan i många komplexa fenomen. Jag skulle vilja vara optimistisk att fysiska regler kan göra det möjligt för oss att förstå vad som kan vara den ultimata komplexiteten i världen.
Vad är den främsta utmaningen i att utveckla en fysisk ram för livet?
Inom fysiken behöver vi ett system som är i jämvikt för att definiera nästan vad som helst. Jämvikt är det som låter oss förstå trycket i en gas bara genom att veta antalet molekyler i en låda, utan att oroa oss för vilken typ av molekyler de är eller vad lådan är gjord av. Det är en otrolig prestation som vi ofta tar för givet. Men livet är inte i jämvikt. Det finns ett känt talesätt som säger att när ett levande system når jämvikt är det dött. Med livet sker en konstant växling mellan olika typer av stabilitet - som hur du går från vaken till sömn och tillbaka till vaken igen. Vi behöver utveckla sätt att förstå hur ett levande system förändras från ett sådant stabilt tillstånd till ett annat.
Denna redovisning kan också berika fysiken. Fysiken har varit mycket framgångsrik, men den är inte riktigt utrustad för att hantera de levande systemens icke-jämviktsnatur.
Vilken typ av ram skulle kunna hantera livets ständiga förändringar?
Nyckeln till att förstå övergångar från ett tillstånd i ett system till ett annat är symmetribrytande. Det klassiska exemplet är en metall som blir magnetiserad. Inledningsvis har du partiklar som pekar åt alla håll - metallen har "rotationssymmetri" eftersom varje riktning ser likadan ut ur en partikels synvinkel. Sedan slår du på ett magnetfält och plötsligt orienterar alla partiklar i en speciell riktning, vilket bryter symmetrin.
Du kan sedan definiera vad som kallas en orderparameter, vilket är ett viktigt sätt att gå från en partikel till en beskrivning av många partiklar. I en magnet är ordningsparametern pilen vid varje punkt som talar om för dig i vilken riktning ett gäng närliggande partiklar pekar i genomsnitt. Orderparametern låter dig förstå vad den trasiga symmetrin är och vad som händer under en övergång. Men att hitta rätt ordningsparameter är en konst.
Det är en stor del av vad vi försöker göra med vårt modellsystem, sjöstjärnas äggceller. Vi beskriver hur de förändras i termer av ordningsparametrar och brutna symmetrier.
Beskrivning
Varför sjöstjärnas äggceller?
En fysikansats kräver modellsystem med rikt beteende och självorganisering i olika skalor. När jag började på MIT fanns det en grupp på biologiavdelningen som funderade på sjöstjärnor som ett modellsystem. När vi pratade blev det mer och mer tydligt för mig att den hade allt vi behövde.
Nu är jag ännu mer övertygad. I somras tillbringade jag en tid på Marine Biological Laboratory i Woods Hole. Sjöstjärnor är tagghudingar, och vi lekte med andra tagghudingar som sjöborrar och sanddollar. Jag blev bara imponerad av det marina livets skönhet och hur alla tagghudingar går från denna runda, symmetriska äggcell till en pentameral bruten symmetri. Bara denna lilla gren av livet har så mycket symmetribrytande att studera.
Så hur definierar symmetribrytande livet?
Den viktigaste brutna symmetrin är tiden.
Jag börjar alltid mina samtal med en video av ett embryo som utvecklas, men jag spelar det baklänges. När jag visar det för biologer säger de direkt: "Det här är inte rätt. Celler smälter aldrig samman."
Zooma dock in och tidens pil är inte så skarp. Som postdoktor studerade jag rörelserna hos kolnanorör inuti mänskliga celler. För blotta ögat ser deras jiggling slumpmässigt ut, detsamma oavsett om du spelar upp videon framåt eller bakåt. Men när vi mätte jiggningen av nanorören i detalj, verkade fluktuationerna vara mycket högre än vad du kan förvänta dig att se i jämvikt vid rumstemperatur. De rörde sig som om cellen hade en temperatur på 1,000 XNUMX grader. Var kom dessa extra fluktuationer ifrån? De måste relateras till det faktum att cellerna, till skillnad från en magnet i jämvikt, kontinuerligt förbrukade energi och använde den för att leva, för att fastställa en tidspil.
Det arbetet öppnade hela min värld för dessa fantastiska icke-jämviktssystem, och jag dök djupare in i biofysiken.
Beskrivning
Så jämviktssystem fluktuerar på slumpmässiga sätt som i genomsnitt inte ger meningsfull förändring. Men icke-jämviktssystem som levande saker kan fluktuera i mer organiserade mönster - och fröna till den organisationen måste existera även på mikroskopisk nivå, även om allt ser slumpmässigt ut där nere. Kunde du upptäcka dessa frön av koordination?
I ett annat projekt studerade jag vibrationerna hos flimmerhåren runt njurceller. Cilia är de små hårstrån som celler använder för att simma eller känna av sina miljöer, och de vibrerar också på ett sätt som ser slumpmässigt ut. Men vi upptäckte att om du bryter ner deras vibrationer i några grundläggande rörelser så kan vi det identifiera ett återkommande mönster — en cykel — i hur varje cilium blandade ihop de grundläggande rörelserna.
Den typen av cykel är ett tecken på att ditt system inte är i jämvikt, att det har en pil av tid. Vi lärde oss senare hur man använder cykelns riktning och storlek för att ta reda på hur långt cellerna var utanför jämvikt.
Du använder också symmetribrytande för att förstå hur sjöstjärnembryon växer.
Äggceller delas om och om igen när de växer till ett embryo, och varje delning är ett spektakulärt exempel på symmetribrytande i både tid och rum. På något sätt talar små proteiner om för den gigantiska cellen när och var den ska börja dela sig. För ett protein är vilken plats och vilken stund som helst lika bra som en annan. Så hur bryter de symmetri så att cellen delar sig här och nu?
Hur gör de?
Det finns ett nyckelsignalprotein, kallat Rho-GTP, som säger till cellens "muskler" att dra ihop sig och överföra en kraft som leder till celldelning. När vi spårade hur många av dessa proteiner som slogs på under celldelningen såg vi att deras aktivitetsnivåer tog formen av att dessa krusningar spred sig över hela cellens yta. Frågan var: Hur kunde vi karakterisera dessa krusningar? Vad är deras orderparameter?
Beskrivning
Vi upptäckte att om vi spelade in en film med krusningarna och zoomade in på bara en pixel så steg dess ljusstyrka och föll som en våg. Det gjorde grannpixeln också, men dess våg var lite i otakt med den första. Efter lite försök och fel valde vi att använda hur mycket dessa två vågor var i otakt som vår orderparameter.
Det är här det blir intressant. Vi upptäckte att det fanns ställen där vågen bara stannar. Nu älskar jag det här. Dessa fläckar beter sig precis som laddade partiklar, som fysiker har mycket erfarenhet av. Det är som om de hade en laddning på plus eller minus 1 beroende på om de roterar medurs eller moturs. Ibland skapas motsatt laddade par, och ibland utplånar de varandra. Nu har vi hela detta språk för att förklara hur detta system är självorganiserande i rum och tid. Vi tror att dessa partiklar är de organiserande centra för kraftgenerering. De styr egenskaperna hos de vågor som talar om för cellen när och var den ska dela sig.
Du har använt fysik för att förstå vad som händer i en cell. Har du flyttat till nivån för flercelliga organismer?
Om du låter cellerna fortsätta att dela sig får du i princip den här pilen av tid som går framåt. Så småningom har du miljoner och åter miljoner celler som bildar ett sjöstjärnembryo. Embryot har flimmerhår, och någon gång börjar flimmerhåren slå synkront och embryot börjar simma runt. Den simmar i en snurrande, korkskruvsrörelse som kan locka till sig andra spinnande embryon.
Beskrivning
En morgon kom vi in i labbet och mina elever märkte att ett gäng embryon hade klumpat sig ihop på vattenytan. Och klustren - som vi kom att kalla "levande kristaller" - snurrade också runt och bröt symmetrin mellan medurs och moturs riktningar. Detta system har så många typer av symmetribrytande!
Vad kan du lära dig av dessa levande kristaller?
När du riktar en kamera ner mot kristallen och snurrar den i samma hastighet så att du inte kan se rotationen, kan du se att hela kristallen tycks vika försiktigt med långsamma krusningar.
Samtidigt som vi studerade detta var Vincenzo Vitellis grupp i Chicago arbetar med en teori där man i princip har två partiklar med interna batterier som snurrar i förhållande till varandra. Dessa partiklar kan faktiskt trotsa Newtons tredje rörelselag: Det finns ingen lika verkan och reaktion. Den första partikeln påverkar den andra på ett annat sätt än den andra påverkar den första.
Beskrivning
Om jag har ett material tillverkat av dessa roterande partiklar, kallat ett "udda" material, när jag trycker på det, får den obalanserade interaktionen mellan partiklar materialet att rotera. Det är som att du har en topp och när du trycker ner så börjar den snurra. Chicagogruppen förutspådde att under vissa förhållanden kunde dessa rotationer synkroniseras för att skapa ihållande svängningar.
Denna undersökning av udda material i levande system var helt teoretisk tills vi visade att med våra kristaller av sjöstjärnembryon, som bränner energi för att snurra på liknande sätt, kan du verkligen få dessa ihållande svängningar.
Använder sjöstjärnembryon denna udda egenskap för att göra något användbart?
Kanske! Sjöstjärnor leker i tidvattenpölar där temperaturen förändras mycket. Så en idé är att embryona samlas precis som en flock fåglar och använder sitt kollektiva beteende som ett sätt att värma eller kyla ner sin miljö, genom att styra energiflödet.
Vad är betydelsen av denna upptäckt?
Vi byggde en kristall av biologiska partiklar och fick något som aldrig tidigare skådats, vilket öppnar upp en rad nya frågor.
Till exempel har vi alltid tänkt på celler som har jämviktsegenskaper med viss aktivitet. Men vad händer om systemet först och främst definieras av dess aktivitet utanför jämvikt, som dessa udda material är? Cellerna använder den här konstigheten, kanske för att hålla sig coola. Tänk om andra levande system också utnyttjar egenskaper som udda för grundläggande funktioner? Vad händer om du behöver detta ramverk för att förstå hur muskler fungerar?
En annan fråga är: Vilka material kan vi kunna bygga när vi bättre förstår hur levande material fungerar? Just nu är vi bundna av de fysiska lagar som vi känner till. Men kanske kan den här typen av forskning ge oss ett stort hopp i vilken typ av funktioner vi kan få material att utföra.
Nästa stora steg blir om vi kan göra en koppling mellan de mängder vi har lärt oss att mäta och biologiska funktioner. En avgörande egenskap hos levande system är att de har ett syfte. Under de kommande åren är min dröm att koppla samman särskilda funktioner, säg en specifik typ av cellmobilitet, med siffror vi kan mäta, som energiförlust. Att hitta den här typen av koppling är ett mycket större mål.
- SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
- Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
- Källa: https://www.quantamagazine.org/starfish-whisperer-develops-a-physical-language-of-life-20230111/
- 000
- 1
- a
- Able
- Om oss
- Konto
- Redovisning
- uppnåendet
- tvärs
- Handling
- aktivitet
- faktiskt
- Lägger
- Efter
- mot
- åldrig
- Alla
- tillåter
- alltid
- fantastiska
- amerikan
- och
- Annan
- tillämpas
- tillvägagångssätt
- runt
- ankomst
- Konst
- genomsnitt
- utmärkelse
- tillbaka
- grundläggande
- I grund och botten
- batterier
- Skönhet
- därför att
- passande
- innan
- tro
- Bättre
- mellan
- Bortom
- Stor
- större
- biologi
- Biofysik
- Fåglar
- Bunden
- Box
- Branch
- Ha sönder
- Breaking
- Brutet
- SLUTRESULTAT
- byggt
- Bunch
- bränna
- företag
- Ring
- kallas
- rum
- Campus
- Kan få
- kol
- kolnanorör
- vilken
- Karriär
- Vid
- Celler
- Centers
- vissa
- utmanar
- byta
- Förändringar
- karakterisera
- laddning
- laddad
- chicago
- omständigheter
- klarhet
- Clash
- klassiska
- klar
- cocktail
- Kollektiv
- komma
- kommande
- komplex
- Komplexiteten
- komplicerad
- komponenter
- Begreppen
- villkor
- Kontakta
- anslutning
- konstant
- kontrakt
- kontroll
- Konversation
- kyla
- samordning
- kunde
- Par
- Kurs
- skapa
- skapas
- Kristall
- döda
- djupare
- definierande
- Avdelning
- beroende
- beskriva
- beskriven
- beskrivning
- Trots
- detalj
- detaljer
- utveckla
- utveckla
- utvecklingen
- utvecklar
- DID
- olika
- riktande
- riktning
- Upptäckten
- division
- dollar
- inte
- ner
- drömmen
- under
- varje
- Utbildning
- elektroner
- framträder
- möjliggöra
- energi
- berika
- Hela
- Miljö
- miljöer
- Jämvikt
- utrustad
- fel
- etablera
- Även
- så småningom
- allt
- exakt
- exempel
- spännande
- expanderande
- förvänta
- erfarenhet
- Förklara
- Exploit
- extra
- ögat
- kända
- Leverans
- få
- fält
- Figur
- finna
- Förnamn
- Flock
- flöda
- fluktuera
- fluktuationer
- kraft
- främst
- formen
- Framåt
- hittade
- Ramverk
- från
- funktioner
- framtida
- spalt
- GAS
- generering
- skaffa sig
- Ge
- ges
- glas
- Go
- Målet
- kommer
- god
- beviljats
- Grupp
- Väx
- Tillväxt
- hantera
- händer
- har
- Hjärta
- hjälpa
- här.
- högre
- Hål
- hoppas
- Hur ser din drömresa ut
- How To
- Men
- HTTPS
- humant
- Hungrig
- Tanken
- idéer
- identifiera
- med Esport
- in
- otroligt
- påverka
- initialt
- inspirerande
- exempel
- Institute
- institutioner
- interaktioner
- intressant
- inre
- Undersökningen
- Iran
- IT
- fogade
- hoppa
- bara en
- Ha kvar
- Nyckel
- njure
- Snäll
- Vet
- Menande
- lab
- laboratorium
- Labs
- språk
- Large
- Efternamn
- Förra året
- Lag
- Lagar
- ledande
- Leads
- LÄRA SIG
- lärt
- Lets
- Nivå
- nivåer
- livet
- länkning
- liten
- lever
- levande
- upphöjd
- såg
- UTSEENDE
- Lot
- älskar
- gjord
- Magnetiskt fält
- Magnetism
- göra
- många
- massachusetts
- Massachusetts Institute of Technology
- Materialet
- material
- Materia
- meningsfull
- mäta
- Sammanfoga
- metall
- kanske
- miljoner
- MIT
- Blandning
- mobilitet
- modell
- Modern Konst
- molekyl
- ögonblick
- mer
- Morgonen
- mest
- rörelse
- rörelse
- förflyttar
- film
- Natural
- Natur
- nästan
- Behöver
- Nya
- Nästa
- Anmärkningar
- antal
- nummer
- hav
- ONE
- öppnade
- öppnas
- Verksamhet
- Optimistiska
- beställa
- organisation
- Organiserad
- organisering
- Övriga
- egen
- ihopkoppling
- par
- parameter
- parametrar
- föräldrar
- del
- särskilt
- reservdelar till din klassiker
- Tidigare
- mönster
- Utföra
- kanske
- fysisk
- Fysik
- pixel
- plato
- Platon Data Intelligence
- PlatonData
- Spela
- spelat
- plus
- Punkt
- Synvinkel
- Pools
- förutsagda
- tryck
- primär
- Principerna
- Priset
- Problem
- skrider
- projektet
- egenskaper
- egenskapen
- Protein
- Proteiner
- Syftet
- Tryck
- sätta
- Quantamagazin
- quest
- fråga
- frågor
- slumpmässig
- område
- når
- Reaktionen
- senaste
- nyligen
- erkänt
- registreras
- relaterad
- reportern
- reproduktion
- Kräver
- forskning
- forskaren
- Rik
- Rum
- ROSE
- rund
- regler
- Samma
- SAND
- skalor
- Vetenskap
- HAV
- Andra
- frön
- verkade
- verkar
- känsla
- skarp
- SKIFTANDE
- show
- visas
- sida
- signera
- signifikans
- liknande
- Enkelt
- Storlek
- långsam
- Small
- So
- Samhället
- Mjuk
- några
- något
- något
- Utrymme
- speciell
- specifik
- spektakulära
- fart
- spent
- Snurra
- delas
- Spot
- Spridning
- Stabilitet
- Sjöstjärna
- starta
- startar
- Ange
- Ämnesläge
- Stater
- stadig
- Steg
- Fortfarande
- Stoppar
- Studenter
- studerade
- Läsa på
- Studerar
- framgångsrik
- sådana
- sommar
- supra~~POS=TRUNC
- Som stöds
- yta
- simmar
- Växla
- system
- System
- Ta
- tar
- Talks
- Tankar
- Målet
- Teknologi
- tehran
- berättar
- villkor
- Smakämnen
- världen
- deras
- sig själva
- teoretiska
- Där.
- saker
- Tänkande
- Tredje
- trodde
- tusentals
- Tide
- tid
- till
- tillsammans
- alltför
- topp
- mot
- övergång
- övergångar
- överföra
- rättegång
- SVÄNG
- vände
- Vrida
- typer
- slutliga
- under
- förstå
- förståelse
- otvivelaktigt
- enhet
- Universell
- us
- användning
- olika
- Video
- utsikt
- besökta
- Våg
- vågor
- sätt
- webp
- Vad
- Vad är
- om
- som
- kommer
- utan
- Kvinnor
- Woods
- Arbete
- världen
- skulle
- år
- år
- Om er
- Din
- zephyrnet