Вступ
У сонячній лабораторії Массачусетського технологічного інституту дві морські зірки билися за свою здобич. Руки, що перекривають один одного, притиснули шматочок коктейльних креветок, що розморожуються, до стінок резервуара. Тисячі присосок люто брижали об скло, коли кожна голкошкіра намагалася притиснути нагороду до своєї пащі.
Фізик Нікта Фахрі дивився з усмішкою. Не так багато фізиків зберігають у своїх лабораторіях життя океану, але Фахрі навчився доглядати за морськими зірками майже так само, як морський біолог. І тепер вона розширює свій звіринець; коли нещодавно відвідав репортер, кілька танків чекали неминучого прибуття морських їжаків.
Фахрі звернувся до голкошкірих у надії відповісти на давнє запитання: що таке життя? Або, в одному сучасному формулюванні: як мікроскопічні операції білків і клітин додають до сутички між голодними морськими зірками?
У пошуках розуміння того, як обертання біологічних шестерень породжує невимовно складну справу життя, Фахрі вважав природним звернутися до фізики — галузі, яка вправно пов’язує мікроскопічні та макроскопічні явища. Фізики дізналися, що температура виникає внаслідок руху молекул, магнетизм внаслідок орієнтації атомів, а надпровідність утворюється в пари електронів. Можливо, життя також можна елегантно описати як властивість, яка може виникнути за відповідних обставин.
Але які обставини?
Досліджуючи ембріони морських зірок, Фахрі досяг успіху в поясненні цих обставин за допомогою концепцій фізики. Вона зазначає, що, як і інші стани матерії, життя «порушує симетрію» — ріст ембріона, наприклад, відрізняє його минуле від майбутнього. Фахрі розширив мову порушення симетрії, щоб описати, як білки та інші крихітні біологічні компоненти змовляються, щоб забезпечити рух, розмноження та інші ознаки життя. По дорозі вона спостерігала дивний новий стан матерії, який може допомогти життю впливати на оточення.
Фахрі виріс у Тегерані, Іран. Незважаючи на гнітливе середовище для жінок, її батьки підтримували її освіту, і зрештою вона потрапила до провідних навчальних закладів за кордоном. Минулого року Американське фізичне товариство відзначило її своєю Нагорода за початок кар’єри за дослідження м’якої матерії, за «новаторські та надихаючі розробки». QuantaНещодавню розмову з Фахрі в її лабораторії в кампусі MIT було скорочено та відредаговано для ясності.
У чому проблема біології і як фізика може допомогти?
Біологія — це галузь, яка насправді визначається своїми молекулами. Він дуже успішно ідентифікував компоненти та мікроскопічні механізми життя. Звичайно, знати деталі важливо, але все ще існує великий розрив між розумінням того, як, скажімо, білок споживає енергію, і розумінням того, як поєднання всіх цих частин разом сприяє реалістичній поведінці.
Фізика має дещо інший погляд. Ми хочемо зрозуміти принципи, які пояснюють речі в різних масштабах, від дуже малого до дуже великого, використовуючи якусь універсальну мову. Наприклад, колись ми вважали тепло рідиною. Але за допомогою термодинаміки ми змогли пояснити температуру як рух молекул.
У випадку життя ми хотіли б знати: як ви пройшли шлях від розсіювання енергії на рівні однієї частинки до зграї птахів?
Це здається високою метою, враховуючи, що птах значно складніший за молекулу. Чи можуть такі прості ідеї, як ті, що визначають температуру, справді бути з користю застосовані до живих організмів?
Життя, безсумнівно, складніше за те, до чого ми звикли у фізиці, але я думаю, що це захоплюючий виклик. У минулому фізика показала, що цей підхід намагання зрозуміти одиницю як щось більше, ніж сума її частин, лежить в основі багатьох складних явищ. Я хотів би бути оптимістом, оскільки фізичні правила можуть дозволити нам зрозуміти, що може бути найскладнішим у світі.
Яка головна проблема у створенні фізичної основи для життя?
У фізиці нам потрібна система, яка перебуває в рівновазі, щоб визначити майже все. Рівновага – це те, що дозволяє нам зрозуміти тиск газу, просто знаючи кількість молекул у коробці, не турбуючись про те, які це молекули або з чого складається коробка. Це неймовірне досягнення, яке ми часто сприймаємо як належне. Але життя не в рівновазі. Є відомий вислів, що коли жива система досягає рівноваги, вона мертва. У житті відбувається постійний перехід між різними типами стабільності — наприклад, як ви переходите від неспання до сну і знову до неспання. Нам потрібно розробити способи розуміння того, як жива система змінюється з одного такого сталого стану в інший.
Цей облік також може збагатити фізику. Фізика була дуже успішною, але насправді вона не в змозі впоратися з нерівноважною природою живих систем.
Яка структура може впоратися з постійними змінами життя?
Ключем до розуміння переходів від одного стану системи до іншого є порушення симетрії. Класичним прикладом є намагнічування металу. Спочатку у вас є частинки, спрямовані в усі сторони — метал має «обертальну симетрію», оскільки кожен напрямок виглядає однаковим з точки зору частинки. Потім ви включаєте магнітне поле, і раптом усі частинки орієнтуються в одному особливому напрямку, порушуючи симетрію.
Потім ви можете визначити так званий параметр порядку, який є важливим способом переходу від однієї частинки до опису багатьох частинок. У магніті параметр порядку — це стрілка в кожній точці, яка вказує вам, у якому напрямку в середньому спрямована купа сусідніх частинок. Параметр порядку дозволяє зрозуміти, що таке порушена симетрія і що відбувається під час переходу. Але знайти правильний параметр порядку – ціле мистецтво.
Це велика частина того, що ми намагаємося зробити з нашою модельною системою, яйцеклітинами морської зірки. Ми описуємо шляхи їх зміни в термінах параметрів порядку та порушених симетрій.
Вступ
Чому яйцеклітини морських зірок?
Фізичний підхід вимагає модельних систем із багатою поведінкою та самоорганізацією в різних масштабах. Коли я приєднався до Массачусетського технологічного інституту, на біологічному факультеті була група, яка думала про морську зірку як модель системи. Поки ми розмовляли, мені ставало дедалі ясніше, що тут є все, що нам потрібно.
Тепер я ще більше переконався. Цього літа я провів деякий час у морській біологічній лабораторії у Вудс-Гоулі. Морські зірки - це голкошкірі, і ми грали з іншими голкошкірими, наприклад морськими їжаками та піщаними доларами. Я був просто вражений красою морського життя та тим, як усі голкошкірі переходять від цієї круглої симетричної яйцеклітини до п’ятикутної порушеної симетрії. Просто ця крихітна галузь життя має так багато порушувати симетрію для вивчення.
Отже, як порушення симетрії визначає життя?
Найважливішою порушеною симетрією є час.
Я завжди починаю свої розмови з відеозапису розвитку ембріона, але відтворюю його назад. Коли я показую це біологам, вони одразу кажуть: «Це неправильно. Клітини ніколи не зливаються».
Однак збільшити масштаб, і стріла часу не така гостра. Як докторант, я вивчав рух вуглецевих нанотрубок у клітинах людини. Неозброєним оком їх погойдування виглядає випадковим, незалежно від того, відтворюєте ви відео вперед чи назад. Але коли ми виміряв погойдування нанотрубок у деталях, коливання, здавалося, були набагато вищими, ніж те, що ви очікували б побачити в рівновазі за кімнатної температури. Вони рухалися так, ніби камера мала температуру 1,000 градусів. Звідки ці додаткові коливання? Вони мали бути пов’язані з тим фактом, що, на відміну від магніту в рівновазі, клітини постійно споживали енергію і використовували її для життя, щоб встановити стрілу часу.
Ця робота відкрила мій світ для цих дивовижних нерівноважних систем, і я глибше занурився в біофізику.
Вступ
Отже, системи рівноваги коливаються випадковим чином, що в середньому не призводить до значущих змін. Але нерівноважні системи, такі як живі істоти, можуть коливатися за більш організованими моделями — і насіння цієї організації має існувати навіть на мікроскопічному рівні, навіть якщо там все виглядає випадковим. Чи змогли ви помітити ці зачатки координації?
В іншому проекті я вивчав коливання війок навколо клітин нирки. Вії — це маленькі волоски, які клітини використовують, щоб плавати або відчувати навколишнє середовище, і вони також вібрують у спосіб, який виглядає випадковим чином. Але ми виявили, що якщо розділити їхні вібрації на кілька основних рухів, ми зможемо визначити повторюваний шаблон — цикл — у тому, як кожна війка змішувала основні рухи.
Такий цикл є ознакою того, що ваша система не в рівновазі, що вона має стрілу часу. Пізніше ми навчилися використовувати напрямок і розмір циклу, щоб визначити, наскільки клітини вийшли з рівноваги.
Ви також використовуєте порушення симетрії, щоб зрозуміти, як ростуть ембріони морських зірок.
Яйцеклітини розщеплюються знову і знову, коли вони ростуть у ембріон, і кожен поділ є вражаючим прикладом порушення симетрії як у часі, так і в просторі. Якимось чином крихітні білки повідомляють гігантській клітині, коли і де почати ділитися. Для білка будь-яка точка і будь-який момент такі ж хороші, як інші. Отже, як вони порушують симетрію, щоб клітина ділилася тут і зараз?
Ну як вони?
Існує ключовий сигнальний білок, який називається Rho-GTP, який спонукає «м’язи» клітини скорочуватися та передавати силу, що призводить до поділу клітини. Коли ми відстежили, скільки з цих білків вмикається під час поділу клітини, ми побачили, що рівень їхньої активності набув форми цих брижів, що поширюються по всій поверхні клітини. Постало питання: як ми можемо охарактеризувати ці брижі? Який у них параметр замовлення?
Вступ
Ми виявили, що якщо ми записали фільм брижів і збільшили лише один піксель, його яскравість то зростала, то спадала, як хвиля. Сусідній піксель теж зробив, але його хвиля трохи не відповідала першій. Після деяких проб і помилок ми вирішили використати як параметр порядку ці дві хвилі.
Ось тут стає цікаво. Ми виявили, що є місця, де хвиля просто зупиняється. Тепер я люблю це. Ці плями поводяться точно так само, як заряджені частинки, з яким фізики мають великий досвід. Це так, ніби вони мали заряд плюс або мінус 1 залежно від того, обертаються вони за годинниковою стрілкою чи проти неї. Іноді утворюються протилежно заряджені пари, а іноді вони анігілюють одна одну. Тепер у нас є ціла мова, щоб пояснити, як ця система самоорганізується в просторі та в часі. Ми вважаємо, що ці частинки є організуючими центрами формування сили. Вони контролюють властивості хвиль, які повідомляють клітині, коли і де ділитися.
Ви використовували фізику, щоб зрозуміти, що відбувається в клітині. Ви перейшли на рівень багатоклітинних організмів?
Якщо ви дозволите клітинам продовжувати ділитися, ви в основному отримаєте цю стрілу прогресу часу. Зрештою у вас є мільйони і мільйони клітин, які утворюють один ембріон морської зірки. У ембріона є вії, і в якийсь момент вії починають битися синхронно, і ембріон починає плавати. Він плаває обертовим рухом штопора, що може привабити інших обертових ембріонів.
Вступ
Одного ранку ми прийшли в лабораторію, і мої студенти помітили, що купа ембріонів злиплася на поверхні води. І скупчення — які ми звикли називати «живими кристалами» — також оберталися навколо, порушуючи симетрію між напрямками годинникової стрілки та проти неї. Ця система має так багато типів порушення симетрії!
Чого ви можете дізнатися з цих живих кристалів?
Якщо навести камеру вниз на кристал і покрутити його з тією ж швидкістю, щоб не було видно обертання, ви побачите, що весь кристал, здається, м’яко похитується з повільними брижами.
У той самий час, коли ми вивчали це, була група Вінченцо Вітеллі в Чикаго працює над теорією де в основному у вас є дві частинки з внутрішніми батареями, які обертаються одна відносно одної. Ці частинки насправді можуть порушити третій закон руху Ньютона: немає рівних дії та протидії. Перша частинка впливає на другу не так, як друга на першу.
Вступ
Якщо у мене є матеріал, виготовлений із цих обертових частинок, який називається «дивним» матеріалом, коли я натискаю на нього, незбалансована взаємодія між частинками змушує матеріал обертатися. Це ніби у вас є верх, і коли ви натискаєте вниз, він починає обертатися. Чиказька група передбачила, що за певних умов ці обертання можуть синхронізуватися, створюючи стійкі коливання.
Це дослідження дивних матеріалів у живих системах було лише теоретичним, поки ми не показали, що за допомогою наших кристалів ембріонів морських зірок, які споживають енергію для обертання подібним чином, ви дійсно можете отримати ці стійкі коливання.
Чи використовують ембріони морських зірок цю дивну властивість, щоб робити щось корисне?
Може бути! Морські зірки нерестяться в басейнах, де температура сильно змінюється. Отже, одна з ідей полягає в тому, що ембріони збираються разом, як зграя птахів, і використовують свою колективну поведінку як спосіб нагрівання або охолодження середовища, направляючи потік енергії.
Яке значення цього відкриття?
Ми побудували кристал із біологічних частинок і отримали щось, чого раніше не бачили, що відкриває ряд нових питань.
Наприклад, ми завжди думали, що клітини мають рівноважні властивості з певною активністю. Але що, якщо система перш за все визначається своєю нерівноважною активністю, як ці дивні матеріали? Клітини використовують цю дивацтво, можливо, щоб зберегти спокій. Що, якщо інші живі системи також використовують такі властивості, як дивність, для основних функцій? Що, якщо вам потрібна ця структура, щоб зрозуміти, як працюють м’язи?
Інше питання: які матеріали ми зможемо будувати, коли краще зрозуміємо, як живі матеріали працюють? Зараз ми зв’язані фізичними законами, які ми знаємо. Але, можливо, таке дослідження може дати нам великий стрибок у тому, які функції ми можемо отримати від матеріалів.
Наступним великим кроком буде те, чи зможемо ми встановити зв’язок між величинами, які ми навчилися вимірювати, та біологічними функціями. Одна з визначальних рис живих систем полягає в тому, що вони мають мету. У найближчі роки я мрію поєднати певні функції, скажімо, певний тип мобільності клітин, із числами, які ми зможемо виміряти, наприклад розсіювання енергії. Знайти такий зв’язок – набагато більша мета.
- Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
- Платоблокчейн. Web3 Metaverse Intelligence. Розширені знання. Доступ тут.
- джерело: https://www.quantamagazine.org/starfish-whisperer-develops-a-physical-language-of-life-20230111/
- 000
- 1
- a
- Здатний
- МЕНЮ
- рахунки
- бухгалтерський облік
- досягнення
- через
- дію
- діяльність
- насправді
- Додає
- після
- проти
- віковий
- ВСІ
- дозволяє
- завжди
- дивовижний
- американська
- та
- Інший
- прикладної
- підхід
- навколо
- прибуття
- Art
- середній
- нагорода
- назад
- основний
- В основному
- батареї
- Краса
- оскільки
- становлення
- перед тим
- Вірити
- Краще
- між
- За
- Великий
- більший
- біологія
- Біофізика
- Птахи
- Кордон
- Box
- Філія
- Перерва
- Розрив
- Зламаний
- будувати
- побудований
- гроно
- горіти
- бізнес
- call
- званий
- кімната
- Кампус
- Може отримати
- вуглець
- вуглецеві нанотрубки
- який
- кар'єра
- випадок
- Клітини
- Центри
- певний
- виклик
- зміна
- Зміни
- охарактеризувати
- заряд
- стягується
- Чикаго
- обставин
- ясність
- Зіткнення
- classic
- ясно
- коктейль
- Collective
- Приходити
- майбутній
- комплекс
- складність
- складний
- Компоненти
- поняття
- Умови
- З'єднуватися
- зв'язку
- постійна
- контракт
- контроль
- Розмова
- Прохолодно
- координація
- може
- Пара
- Курс
- створювати
- створений
- кристал
- мертвий
- глибше
- визначаючи
- відділ
- Залежно
- описувати
- описаний
- description
- Незважаючи на
- деталь
- деталі
- розвивати
- розвивається
- події
- розвивається
- DID
- різний
- керівництво
- напрям
- відкриття
- Роздільна
- доларів
- Не знаю
- вниз
- мрія
- під час
- кожен
- Освіта
- електрони
- виникає
- включіть
- енергія
- збагачувати
- Весь
- Навколишнє середовище
- середовищах
- Рівновага
- обладнаний
- помилка
- встановити
- Навіть
- врешті-решт
- все
- точно
- приклад
- захоплюючий
- розширюється
- очікувати
- досвід
- Пояснювати
- Експлуатувати
- додатково
- очей
- знаменитий
- особливість
- кілька
- поле
- Рисунок
- виявлення
- Перший
- Flock
- потік
- коливатися
- коливання
- Примусово
- головне
- форма
- Вперед
- знайдений
- Рамки
- від
- Функції
- майбутнє
- розрив
- ГАЗ
- покоління
- отримати
- Давати
- даний
- скло
- Go
- мета
- буде
- добре
- надається
- Group
- Рости
- Зростання
- обробляти
- відбувається
- має
- Серце
- допомога
- тут
- вище
- Hole
- надія
- Як
- How To
- Однак
- HTTPS
- людина
- Голодний
- ідея
- ідеї
- ідентифікує
- важливо
- in
- неймовірний
- вплив
- спочатку
- надихаючий
- екземпляр
- Інститут
- установи
- Взаємодії
- цікавий
- внутрішній
- дослідження
- Іран
- IT
- приєднався
- стрибати
- тільки один
- тримати
- ключ
- нирка
- Дитина
- Знати
- Знання
- lab
- лабораторія
- Labs
- мова
- великий
- останній
- Минулого року
- закон
- Законодавство
- провідний
- Веде за собою
- УЧИТЬСЯ
- вчений
- дозволяє
- рівень
- рівні
- життя
- Зв'язуючий
- трохи
- жити
- життя
- високий
- подивився
- ВИГЛЯДИ
- серія
- любов
- made
- Магнітне поле
- Магнетизм
- зробити
- багато
- Массачусетс
- Массачусетський технологічний інститут
- матеріал
- Матеріали
- Матерія
- значущим
- вимір
- Злиття
- метал
- може бути
- мільйони
- MIT
- Змішування
- мобільність
- модель
- сучасний
- молекули
- момент
- більше
- Ранок
- найбільш
- рух
- руху
- рухається
- фільм
- Природний
- природа
- майже
- Необхідність
- Нові
- наступний
- примітки
- номер
- номера
- океан
- ONE
- відкритий
- Відкриється
- операції
- Оптимістичний
- порядок
- організація
- Організований
- організація
- Інше
- власний
- спаровування
- пар
- параметр
- параметри
- батьки
- частина
- приватність
- частини
- Минуле
- моделі
- Виконувати
- може бути
- фізичний
- Фізика
- піксель
- plato
- Інформація про дані Платона
- PlatoData
- Play
- грав
- плюс
- точка
- Точка зору
- Басейни
- передвіщений
- тиск
- первинний
- Принципи
- приз
- Проблема
- прогресує
- проект
- властивості
- власність
- Білок
- Білки
- мета
- Штовхати
- Поклавши
- Квантамагазин
- пошук
- питання
- питань
- випадковий
- діапазон
- Досягає
- реакція
- останній
- нещодавно
- визнаний
- записаний
- пов'язаний
- репортер
- відтворення
- Вимагається
- дослідження
- дослідник
- Багаті
- Кімната
- ROSE
- круглий
- Правила
- то ж
- ПІСНІТЬ
- ваги
- наука
- SEA
- другий
- Насіння
- здавалося
- Здається,
- сенс
- гострий
- ПЕРЕМІЩЕННЯ
- Показувати
- показаний
- сторона
- підпис
- значення
- аналогічний
- простий
- Розмір
- сповільнювати
- невеликий
- So
- суспільство
- М'який
- деякі
- що в сім'ї щось
- кілька
- Простір
- спеціальний
- конкретний
- ефектний
- швидкість
- відпрацьований
- Спін
- розкол
- Spot
- Поширення
- Стабільність
- Морська зірка
- старт
- починається
- стан
- Стан речовини
- Штати
- стійкий
- Крок
- Як і раніше
- Зупиняє
- Студентам
- навчався
- Вивчення
- вивчення
- успішний
- такі
- літо
- Надпровідність
- Підтриманий
- поверхню
- плаває
- перемикач
- система
- Systems
- Приймати
- приймає
- Переговори
- Танки
- Мета
- Технологія
- тегеран
- розповідає
- terms
- Команда
- світ
- їх
- самі
- теоретичний
- Там.
- речі
- Мислення
- третій
- думка
- тисячі
- Хвиля
- час
- до
- разом
- занадто
- топ
- до
- перехід
- переходи
- передавати
- суд
- ПЕРЕГЛЯД
- Опинився
- Поворот
- Типи
- кінцевий
- при
- розуміти
- розуміння
- безсумнівно
- блок
- Universal
- us
- використання
- різний
- Відео
- вид
- visited
- хвиля
- хвилі
- способи
- webp
- Що
- Що таке
- Чи
- який
- волі
- без
- жінки
- ліси
- Work
- світ
- б
- рік
- років
- Ти
- вашу
- зефірнет