Жизнь это физика: «Что такое жизнь с точки зрения физики?» — Яндекс Кью - Санкт-Петербургское государственное бюджетное учреждение социального обслуживания населения

Содержание

«Что такое жизнь с точки зрения физики?» — Яндекс Кью

Жизнь с точки зрения физики

Современную науку часто обвиняют в том, что из-за узкой специализации все дисциплины развиваются там, словно в отдельных отсеках, совершенно не пересекаясь по целому ряду важных вопросов. Как правило, каждый ученый тщательно возделывает свою «делянку», с трудом понимая, чем занимаются его коллеги из других областей знаний. Тем интереснее оказываются примеры, когда знаменитые ученые берут на себя смелость заглянуть в соседний «отсек» и оставить на этот счет свое компетентное мнение.

Австрийский физик Эрвин Шредингер прославился не только тем, что внес весомый вклад в создание квантовой механики. В 1943 году он прочел в дублинском Тринити-колледже для аудитории в 400 человек три лекции, посвященные фундаментальным вопросам биологии.

Эти лекции легли в основу небольшого научного труда под названием: «Что такое жизнь? Физический аспект живой клетки». Несмотря на скромный объем книги, она оставила заметный след в истории науки, оказав влияние не только на молекулярную биологию, но и на наше понимание основополагающих вопросов бытия. Недаром эту работу назвали «маленьким шедевром».

«Мы унаследовали от наших предков острое стремление к цельному, всеобъемлющему знанию», – так Шредингер объясняет свою мотивацию осветить вопросы биологии.

«С одной стороны, – продолжает он, – мы чувствуем, что только теперь начинаем приобретать надежный материал для того, чтобы свести в единое целое все до сих пор известное, а с другой стороны, становится почти невозможным для одного ума полностью овладеть более чем одной небольшой специальной частью науки». Тем не менее, взгляд физика на проблему жизни приводит к совершенно нестандартным и во многом неожиданным выводам.

К слову, после того, как учение Ньютона получило признание в Европе, начались попытки объяснить жизнь с позиций классической механики. В этом не видели ничего странного, поскольку живой организм принято было рассматривать как аналог машины. Однако задача оказалась не такой уж простой, как казалось вначале: жизнь никак не вписывалась в математические формулы.

Шредингер подходит к задаче по-другому. В частности, он пытается с физической точки зрения показать, как ген, обладающий микроскопическими размерами, противостоит тепловым флуктуациям и удерживает наследственную информацию. «Наиболее существенную часть живой клетки — хромосомную нить — можно с полным основанием назвать апериодическим кристаллом», – утверждает он. По его словам, различие в структуре между периодическими кристаллами и апериодическими такое же, как между «обычными обоями, на которых один и тот же рисунок повторяется с правильной периодичностью, и шедевром вышивки, скажем, рафаэлевским гобеленом, который повторяет сложный, последовательный и полный замысла рисунок, начертанный великим мастером».

Весь «план» живого организма, по Шредингеру, как раз изолирован в структуре апериодического кристалла. «Мы можем совершенно точно назвать это образование апериодическим кристаллом или твердым телом и выразить нашу гипотезу словами: мы полагаем, что ген или, возможно, целая хромосомная нить представляет собой апериодическое твердое тело», – указывает ученый. На его взгляд, не надо особенно большого количества атомов в такой структуре, чтобы обеспечить почти безграничное число возможных комбинаций. В качестве понятной аналогии он приводит азбуку Морзе, где используется всего два знака.

Не менее показательным оказывается другой круг вопросов, касающихся возникновения самого порядка, точнее, существующих «планов» живых организмов. Здесь размышления Шредингера оказались пророческими. Принципиально важный вопрос, на который он пытается дать обстоятельный ответ: каков механизм происхождения видов? Как совместить факт сохранения наследственной информации с «великим экспериментом природы», направленным на видообразование?

Шредингер переосмысливает учение Дарвина о происхождении видов в свете открытий в области генетики и дает им истолкование с позиций новейшей физической теории. Незначительные случайные изменения, будто бы накапливающиеся со временем (именно так считал Дарвин) на самом деле не наследуются, отмечает он. Речь может идти о скачкообразных, более существенных изменениях, которые были названы «мутациями» голландским исследователем де Фризом. «Здесь существенна именно прерывистость», – указывает Шредингер. Далее он делает принципиально важное замечание по этому поводу: «Физику она напоминает квантовую теорию — там тоже не наблюдается промежуточных ступеней между двумя соседними энергетическими уровнями атома. Физик был бы склонен мутационную теорию де Фриза фигурально назвать квантовой теорией биологии».

Принципиально, что такое соответствие не является всего лишь образным сравнением. Шредингер уверен, что здесь имеет место принципиальное сходство, отражающее некий фундаментальный уровень познания явлений природы: «Своим происхождением мутации действительно обязаны «квантовым скачкам» в генной молекуле», – утверждает он. По его замечанию, потребовалась жизнь целого поколения, чтобы установить тесную связь между тем и другим, то есть между мутацией и квантовой теорией. По мнению Шредингера, мы можем внести некоторые корректировки в дарвинскую теорию, заменив мутациями «небольшие случайные изменения». Тем самым, считает он, мы в состоянии рассматривать мутации как подходящий материал для естественного отбора, «который может работать над ними и производить виды, как это описано Дарвином, элиминируя неприспособленных и сохраняя наиболее приспособленных».

В другом месте Шредингер дает разъяснение: «Чтобы быть подходящим материалом для работы естественного отбора, мутации должны быть достаточно редким событием, какими они в действительности и оказываются. Если бы мутации были настолько частыми, что существовала бы большая вероятность появлений у одной особи, скажем, дюжины различных мутаций, то вредные, как правило, преобладали бы над полезными, и виды, вместо того чтобы улучшаться путем отбора, оставались бы неулучшенными или погибали. Сравнительный консерватизм, являющийся результатом высокой устойчивости генов, имеет очень существенное значение».

Он приводит аналогию с усовершенствованием заводского оборудования: «Для улучшения его работы необходимо вводить различные новшества, даже непроверенные раньше. Но чтобы выяснить, как влияют они на качество продукции, важно вводить их по одному, оставляя без изменения остальное оборудование».

По мнению Шредингера, мы не должны особо сильно удивляться тому, что «Природа сумела провести тонкий выбор пороговых значений энергии, необходимых, чтобы сделать мутации редкими событиями». Частые мутации, напоминает он, пагубны для эволюции. Отсюда следует, что индивидуумы, «получающие путем мутации генные конфигурации недостаточной устойчивости, имеют мало шансов на то, чтобы их «ультрарадикальное», быстро мутирующее потомство просуществовало очень долго». Отсюда следует вывод, что в процессе естественного отбора вид будет освобождаться от них и, таким образом, накапливать устойчивые гены.

Главный вывод, который следует из приведенных рассуждений: жизнь как будто противостоит известному закону энтропии (второму началу термодинамики). Обычные этапы приближения к состоянию равновесия (наблюдаемого в неживой природе) «никогда не могут быть приняты за жизнь, и мы можем пренебречь ими здесь», – считает Шредингер. «Именно потому, что организм избегает быстрого перехода в инертное состояние «равновесия», он и кажется загадочным. Настолько загадочным, что с древнейших времен человеческая мысль допускала действие в организме особой, какой-то не физической, а сверхъестественной силы (vis viva, энтелехия)», – отмечает ученый. Живой организм, по его мнению, избегает этого состояния благодаря метаболизму, обмену веществ. По мнению Шредингера, в метаболизме существенно то, что «организму удается освобождаться от всей той энтропии, которую он вынужден производить, пока жив».

Выводы знаменитого физика могут показаться парадоксальными. Но они, судя по всему, парадоксальны ровно настолько, насколько парадоксальной кажется сама квантовая теория. Деятельность организма, заявляет Шредингер, нельзя свести к проявлению «обычных» законов физики. «И не потому, – пишет он, – что имеется какая-нибудь «новая сила» или что-либо еще, управляющее поведением отдельных атомов внутри живого организма, а потому, что его структура отличается от всего изученного нами до сих пор в физической лаборатории». Хромосомные молекулы, на его взгляд, представляют «наивысшую степень упорядоченности среди известных нам ассоциаций атомов». И эта упорядоченность проявляет способность поддерживать сама себя и производить упорядоченные явления. Для физика, признается ученый, такое положение дел кажется не только невероятным, но и чрезвычайно волнующим, поскольку оно не имеет прецедента.

«Не нужно поэтического воображения, – говорит Шредингер, – чтобы уяснить себе, что здесь мы встречаемся с явлениями, регулярное и закономерное развертывание которых определяется «механизмом», полностью отличающимся от «механизма вероятности» в физике».

Такое положение характерно только для живой материи, и статистическая теория, которой ученые довольствовались многие годы, не объясняет его. Поэтому мы вправе предполагать, – заключает он, – что «живая материя подчиняется новому типу физического закона».

Завершая свой труд, Шредингер неумолимо приходит к чисто философским вопросам, затрагивая, в частности, проблему сознания. Местами он пересекается с метафизикой, откровенно апеллируя к ведической философии. Возможно, подобные апелляции неизбежны, поскольку сам феномен жизни неумолимо ведет нас к вопросам духа, даже если при этом мы пытаемся оставаться в границах точной науки.

Олег Носков

Physics – Life is Physics

Feature

11 января 2019 г. • Физика 12, 2

Физики ищут «теорию жизни», объясняющую, почему жизнь может существовать.

iStock.com/Sinhyu

Организмы имеют аспекты как сложности, так и порядка, как в этом срезе стебля растения. Исследователи надеются в конечном итоге разработать основные уравнения, описывающие всю жизнь.
×
В жизни нет ничего простого. Каждую секунду внутри одной клетки происходят миллионы тщательно скоординированных химических реакций; миллиарды одноклеточных организмов могут объединяться в колонии; триллионы клеток могут точно слипаться в ткани и органы. Тем не менее, несмотря на всю эту сложность, жизнь легко идентифицировать. Физики считают, что эта узнаваемость может быть связана с фундаментальными физическими принципами, лежащими в основе всей жизни. И они ищут математическую теорию, основанную на этих принципах, которая объясняет, почему может существовать жизнь и как она себя ведет. По их словам, такая теория может позволить исследователям контролировать и манипулировать живыми системами способами, которые в настоящее время невозможны.
Физики любят объединяющие теории. Эти теории сводят сложные явления к небольшому набору идей, математические формулировки которых позволяют делать удивительно успешные предсказания. Например, законы термодинамики, которые объясняют, как энергия перемещается в системах от атомов до ураганов, могут точно предсказать, сколько времени потребуется, чтобы закипеть чайник с водой. Однако, несмотря на такие успехи, исследователи до сих пор не нашли универсальных уравнений, описывающих повседневные явления, связанные с жизнью. Такие уравнения могут обеспечить такую же предсказательную силу, как и другие объединяющие теории, позволяя исследователям получить точный контроль над живыми существами. Этот контроль может позволить улучшить протоколы лечения бактериальных инфекций, улучшить методы лечения рака и методы предотвращения развития у растений устойчивости к гербицидам.
«Физики изучили множество сложных систем, но живые системы относятся к совершенно другому классу с точки зрения сложности и количества степеней свободы», — говорит Рамин Голестанян, директор Института динамики и самоорганизации Макса Планка. в Германии. Голестаниан изучает живые системы, такие как бактериальные рои, моделируя их как движущиеся группы потребляющих энергию частиц, так называемую активную материю. Он также помог организовать Физику живой материи, конференцию APS, состоявшуюся в прошлом году, на которой исследователи обсуждали, является ли написание математической теории жизни достижимой целью, и если да, то на какие вопросы должна ответить такая теория.
iStock.com/WLDavies
Антилопы гну координированными стадами мигрируют через Масаи Мара в Кении. Исследователи моделируют это поведение, используя модели активной материи, которые также могут описывать поведение групп организмов, начиная от птичьих стай и заканчивая роями бактерий.
iStock.com/WLDavies
Антилопы гну координированными стадами мигрируют через Масаи Мара в Кении. Исследователи моделируют это поведение, используя модели активной материи, которые также могут описывать поведение групп организмов, начиная от птичьих стай и заканчивая роями бактерий.
×
Для некоторых специалистов поиск теории начинается с пересмотра того, как биологи описывают живые системы. «Когда я иду на биологическую конференцию, кто-нибудь всегда встает и говорит: «Жизнь — это химия», а затем демонстрирует целую кучу предполагаемых реакций», — говорит Найджел Голденфельд, физик из Иллинойского университета в Урбане-Шампейне, изучающий проблемы, связанные с эволюцией и экологией. «Я не думаю, что жизнь — это химия». Химия дает информацию о молекулах, необходимых для создания жизни, но не о том, как, например, получить функционирующую клетку. Вместо этого, говорит он, «жизнь — это физика», и исследователи должны думать о живых организмах как о системах конденсированного состояния с термодинамическими ограничениями [1].
Голестанян и Гольденфельд оба считают, что черты жизни, такие как репликация, эволюция и использование энергии для движения, являются примерами того, что физики конденсированного состояния называют «эмерджентными явлениями» — сложными свойствами, которые возникают в результате взаимодействия большого количества более простые компоненты. Например, сверхпроводимость — это макроскопическое свойство, возникающее в металлах из-за притягивающих взаимодействий между его электронами, которые приводят к состоянию с нулевым электрическим сопротивлением. В случае жизни эмерджентное поведение возникает в результате взаимодействия между молекулами и того, как молекулы группируются вместе, образуя структуры или выполняя функции.
Но жизнь устроена совсем иначе, чем стандартная конденсированная материя металлов или сверхпроводников, которые являются «мертвыми» вещами, чье поведение предопределено. Живые существа могут по-разному реагировать на один и тот же раздражитель. «Биологические системы имеют эту петлю обратной связи, из-за которой их очень трудно анализировать с помощью стандартных дифференциальных уравнений», — говорит Гольденфельд, добавляя, что пока не знает, как решить эту проблему.
iStock.com/ConstantinCornel
Орган зрения плодовой мушки состоит из более чем 750 отдельных глаз. Уильям Биакек, физик-теоретик из Принстонского университета, показал, что эти глаза работают вместе, чтобы создать зрительную систему, которая может выполнять вычисления с чрезвычайной точностью.
iStock.com/ConstantinCornel
Орган зрения плодовой мушки состоит из более чем 750 отдельных глаз. Уильям Биакек, физик-теоретик из Принстонского университета, показал, что эти глаза работают вместе, чтобы создать зрительную систему, которая может выполнять вычисления с чрезвычайной точностью.
×
Мнение Гольденфельда разделяет Кристина Маркетти из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, которая, как и Голестаниан, изучает живые существа, моделируя их как активную материю. «Живые системы развиваются, адаптируются и изменяются в результате взаимодействия или обмена информацией с другими системами», — говорит Маркетти. Но прямо сейчас эти важные процессы в основном отсутствуют в теориях, которые она и другие разработали для описания поведения конкретных биологических систем, таких как движение бактериальных роев или скопление клеток в опухолях. Работа над теориями, объясняющими эволюцию живых систем, «на самом деле находится в зачаточном состоянии», — говорит она.
Еще одна проблема при разработке универсальной теории, объясняющей существование жизни, заключается в том, что над этой проблемой работает очень мало людей. Скорее, большинство биологов и физиков, изучающих внутреннюю работу жизни, сосредотачиваются на моделировании какого-то конкретного процесса в их нынешнем любимом организме — например, как работает зрение у определенного вида плодовой мушки — не глядя на картину в целом, говорит Голденфельд. Уильям Биалек, физик-теоретик из Принстонского университета в Нью-Джерси, согласен с этой точкой зрения, но также видит и положительную сторону в изучении конкретных организмов. Он отмечает, что физики-теоретики могут потерпеть неудачу в своих поисках теорий, если они «отвязаны от деталей».
«Основная проблема нашей области — найти баланс между поиском общих теоретических принципов и изучением деталей экспериментов на конкретных системах», — говорит Биалек. Голестанян соглашается, добавляя, что любой, кто поставит перед собой задачу сформулировать универсальную теорию жизни, «должен будет развить аппетит и способность изучать ряд явлений, каталогизировать их и искать закономерности, которые указывают на всестороннее описание».
iStock.com/sauletas
Исследователи надеются, что «теория жизни» может помочь в разработке методов предотвращения устойчивости вредных растений к гербицидам.
iStock.com/sauletas
Исследователи надеются, что «теория жизни» может помочь в разработке методов предотвращения устойчивости вредных растений к гербицидам.
×
Илья Неменман из Университета Эмори в Атланте — один из физиков, использующих этот подход. Он изучает, как живые существа — от червей до птиц — обрабатывают информацию об окружающей среде, с целью найти закономерности и вывести общие уравнения, применимые более чем к одной системе. Неменман говорит, что одним из самых больших препятствий для разработки любой общей теории биологических систем является определение того, какие величины имеют значение, а какие несущественны.
В традиционных темах конденсированных сред симметрии системы — величины, которые не изменяются при изменении системы координат — определяют ключевые величины. Например, в кристаллах симметрия — это упорядоченное расположение атомов; все выглядит так же, когда вы перемещаете оси координат из одной элементарной ячейки в другую. Но в биологических системах эти симметрии отсутствуют или, по крайней мере, в настоящее время не распознаются, что добавляет дополнительный уровень сложности процессу записи правильных уравнений. Неменман считает, что для достижения этой цели может помочь машинное обучение, и его группа недавно использовала этот инструмент, чтобы раскрыть уравнения, описывающие реакцию червя на тепло [2].
Область биологии веками обходилась без такой объединяющей теории, так почему же так важно ее найти? Для Гольденфельда движущей силой являются потенциальные предсказательные возможности такой теории и контроль, который она может обеспечить над поведением биологических систем. В качестве примера он приводит лечение бактериальных инфекций. Текущие планы лечения не учитывают должным образом эволюцию, которая происходит, когда антибиотики оставляют в живых некоторые нежелательные бактерии. Эти оставшиеся бактерии могут развиваться и расти, образуя устойчивые к антибиотикам супербактерии, такие как MRSA. «Если мы поймем, как контролировать живую, развивающуюся систему, мы сможем найти протоколы лечения, которые убивают все бактерии и не усугубляют проблему», — говорит Голденфельд. Голестанян отказался предложить потенциальное применение теории, отметив, что «конкретные прогнозы на данном этапе явно преждевременны». Однако он добавляет: «Я абсолютно не сомневаюсь, что из такого рода знаний выйдут хорошие вещи».
– Кэтрин Райт
Кэтрин Райт — старший редактор журнала Physics .
Ссылки
Н. Гольденфельд и К. Вёзе, «Жизнь — это физика: эволюция как коллективное явление, далекое от равновесия», Annu. Преподобный Конденс. Материя физ. 2 , 375 (2011).
B. C. Daniels, W. S. Ryu и I. Nemenman, «Автоматизированный, прогнозирующий и интерпретируемый вывод динамики побега C. elegans », arXiv:1809.09321.
Recent Articles
Биологическая физика
Воспоминания становятся хаотичными, прежде чем их забывают
27 января 2023
Модель хранения информации в мозге показывает, как воспоминания распадаются с возрастом. Подробнее »
Статистическая физика
Неважность точных финансовых знаний
27 января 2023 г.
Моделирование поведения отдельных финансовых трейдеров показывает, что несовершенное знание рынка увеличивает риск, но не общие убытки. Подробнее »
Химическая физика
Квантовая схема справляется с «дьявольским» фотохимическим процессом
26 января 2023 г.
Квантовое устройство показывает перспективы моделирования молекулярной динамики в трудно моделируемом фотохимическом процессе, имеющем отношение к зрению. Подробнее »
Еще статьи
Физика жизни | Природа
От стайки птиц до роящихся молекул физики стремятся понять «активную материю» — и ищут фундаментальную теорию живого мира.
Стаи птиц могут синхронизироваться, создавая узоры. Предоставлено: Hans Overduin/NIS/Minden/Getty
Сначала Звонимир Догич и его ученики взяли микротрубочки — нитевидные белки, которые составляют часть внутреннего «цитоскелета» клетки — и смешали их с кинезинами, моторными белками, которые перемещаются по этим нитям, как поезда на трассе. Затем исследователи взвесили капли этого коктейля в масле и снабдили его молекулярным топливом, известным как аденозинтрифосфат (АТФ).
К удивлению и радости команды, молекулы организовались в крупномасштабные узоры, закрученные на поверхности каждой капли. Пучки микротрубочек, связанных белками, двигались вместе, «как человек, занимающийся краудсерфингом на концерте», — говорит Догик, физик из Университета Брандейса в Уолтеме, штат Массачусетс.
Лабораторные капли скатываются сами по себе
С помощью этих экспериментов, опубликованных ¹ в 2012 году, команда Догика создала новый вид жидких кристаллов. В отличие от молекул в стандартных жидкокристаллических дисплеях, которые пассивно формируют узоры в ответ на электрические поля, компоненты Dogic были активными. Они двигались, получая энергию из окружающей среды — в данном случае из АТФ. И они формировали закономерности спонтанно, благодаря коллективному поведению тысяч единиц, движущихся независимо друг от друга.
Это признаки систем, называемых физиками активной материей, которые стали основным предметом исследований в последние несколько лет. Примеров этому предостаточно в мире природы — среди них невожащие, но сплоченные стаи птиц и текучие структурообразующие цитоскелеты клеток. Их все чаще производят в лаборатории: исследователи синтезировали активное вещество, используя как биологические строительные блоки, такие как микротрубочки, так и синтетические компоненты, включая микрометровые светочувствительные пластиковые «пловцы», которые образуют структуры, когда кто-то включает лампу. Производство рецензируемых статей с «активным материалом» в заголовке или аннотации увеличилось с менее чем 10 в год десять лет назад до почти 70 в прошлом году, и в прошлом году по этой теме было проведено несколько международных семинаров.
Секрет жизни
Исследователи надеются, что эта работа приведет их к полной количественной теории активной материи. Такая теория будет основываться на столетней теории физиков о статистической механике, которая объясняет, как движение атомов и молекул вызывает повседневные явления, такие как тепло, температура и давление. Но это может пойти намного дальше, предоставив математическую основу для все еще загадочных биологических процессов, таких как то, как клетки перемещают предметы, как они создают и поддерживают свою форму и как они делятся. «Нам нужна теория механики и статистики живой материи со статусом, сравнимым с тем, что уже сделано для коллекций мертвых частиц», — говорит Шрирам Рамасвами, физик и директор Центра междисциплинарных наук Института фундаментальных исследований Тата в Хайдарабаде. , Индия.
Однако может пройти некоторое время, прежде чем это желание будет удовлетворено. Экспериментаторы только начинают получать контроль над активными материалами в лаборатории. Даже самые восторженные сторонники этого исследования признают, что еще никто не создал теории активной материи, описывающей поведение всего, от частей клеток до птиц. И если бы такая теория действительно существовала, далеко не факт, что основные биологи увидели бы в ней ценность. Для биологов идея о том, что живая материя активна, «была бы настолько очевидной, что на самом деле не содержала бы очень много информации», — говорит Джонатон Ховард, молекулярный биофизик из Йельского университета в Нью-Хейвене, штат Коннектикут.
Ученые печатают самособирающуюся «живую ткань»
Но это не удержало сторонников от воображения таких приложений, как самосборка искусственных тканей, самонакачивающихся микрофлюидных устройств и новых биоматериалов — хотя исследователи признают, что такие идеи все еще далеки от реализации. «Я думаю, что поле еще слишком рано для применения, потому что мы все еще немного удивлены тем, что может произойти, — говорит Андреас Бауш, физик из Мюнхенского технического университета в Германии, — но я действительно думаю, что поле нужно, чтобы кто-то этим занимался».
Теперь все вместе
Все известные формы жизни основаны на самодвижущихся существах, объединяющихся для создания крупномасштабных структур и движений. Если бы этого не произошло, организмы были бы ограничены использованием гораздо более медленных, пассивных процессов, таких как диффузия, для перемещения ДНК и белков внутри клеток или тканей, и многие из сложных структур и функций жизни могли бы никогда не развиться. Биологи и физики десятилетиями размышляли об общих принципах живой материи, но исследования клеточных процессов были сосредоточены на выявлении головокружительного набора вовлеченных молекул, а не на разработке принципов, по которым они самоорганизуются. В результате то, что сейчас известно как исследования активной материи, по-настоящему не начиналось до середины 19 века.90-е.
Самый крошечный Lego: история о нанодвигателях, роторах, переключателях и насосах
Один из самых влиятельных ранних экспериментов был проведен группой Станисласа Лейблера, биофизика, который тогда работал в Принстонском университете в Нью-Джерси, а сейчас работает в Рокфеллеровском университете в Нью-Йорке. Группа была одной из первых, кто показал, что сложные, похожие на живые структуры могут самособираться из микротрубочек и нескольких белков, снабженных АТФ 9.0130 2 . Примерно в то же время Тамаш Вичек, биофизик-теоретик из Университета Этвеша Лоранда в Будапеште, разработал влиятельную модель активной материи. В начале 1990-х Висек пытался объяснить коллективные движения птичьих стай, колоний бактерий и компонентов цитоскелета, когда понял, что никакая существующая теория не работает. «Это не похоже на равновесную статистическую механику, где вы берете книгу и находите, что делать», — говорит физик Жан-Франсуа Жоанни из Института Кюри в Париже.
Вместо этого Вичек нашел отправную точку в модели магнитных материалов, разработанной в 1928 году немецким физиком Вернером Гейзенбергом. Гейзенберг представил каждый атом как свободно вращающийся стержневой магнит и обнаружил, что крупномасштабный магнетизм возникает, когда взаимодействия между этими атомными магнитами заставляют большинство из них выравниваться. Чтобы объяснить активную материю, Вичек заменил крошечные магниты движущимися «стрелками», символизирующими частицы, скорости которых совпадают со средней скоростью их соседей, хотя и с некоторой случайной ошибкой. Это привело к тому, что теперь известно как флокированная модель 9 Висека.0130 3 . Его моделирование показало, что когда достаточное количество стрел помещалось на достаточно маленьком пространстве, они начинали двигаться по шаблону, который очень напоминал знакомые движения птичьих стай и косяков рыб (см. «Умные рои»).
Авторы и права: NIK Spencer/Nature
«Я был взволнован», — вспоминает Вичек, чья статья 1995 года ³ о модели получила более 3500 ссылок. «Я ходил взад и вперед по коридору и говорил людям, что разработал движущуюся версию модели Гейзенберга».
Одним из физиков, привлеченных этой идеей, был Джон Тонер, который слышал, как Вичек говорил об этом в 1994 году. Тонер, сейчас работающий в Орегонском университете в Юджине, увидел, что роящиеся стрелы Висека можно смоделировать как непрерывную жидкость. Он взял стандартные уравнения гидродинамики, описывающие движение жидкости во всем, от чайников до океанов, и модифицировал их, чтобы учесть, как отдельные частицы используют энергию ⁴ . Жидкостная модель Тонера и дискретно-частичная модель Вичека дали, по сути, одни и те же предсказания для широкого круга явлений и положили начало кустарной индустрии симуляций активной материи.
Точность полетов строем поражает ученых
Была только одна проблема. В то время как количество симуляций стремительно росло, говорит физик Дени Бартоло из Высшей нормальной школы в Лионе, Франция, «количество количественных экспериментов было постоянным и очень близким к нулю». Практическая работа была сложной: никто не мог надеяться провести контролируемые эксперименты с 10 000 настоящих птиц или рыб. А в микроскопическом масштабе немногие ученые были знакомы как с необходимой теоретической работой, опубликованной в основном в журналах по физике, так и с биологическими лабораторными методами, необходимыми для очистки клеточных компонентов.
Практическая магия
Только в конце 2000-х теоретическое и экспериментальное начало соединяться. Бауш провел один из первых точных количественных экспериментов. Он и его коллеги смешали актин, нить, формирующую большую часть цитоскелета сложных клеток, с миозином, молекулярным мотором, который «ходит» по актину и заставляет мышцы сокращаться. Исследователи добавили естественное топливо миозина, АТФ, затем поместили смесь на предметное стекло микроскопа и наблюдали. «Мы ничего не делали; мы просто добавили материал», — говорит Бауш. При низких концентрациях актиновые филаменты плавали без узнаваемого порядка. Но при более высоких плотностях они образовывали пульсирующие скопления, завихрения и полосы. Бауш и его коллеги сразу же распознали и количественно оценили фазовые переходы, предсказанные Вичеком и другими. Их статья 2010 г. ⁵ помог зажечь экспериментальное поле активного вещества.
Среди последующих исследований были эксперименты Dogic с микротрубочками в 2012 году ¹ , в которых использовался другой ходячий белок, кинезин. Полученные узоры были гораздо более сложными и динамичными, чем те, что видел Бауш: плавные микротрубочки выглядели как движущиеся завитки отпечатков пальцев. Догич и его команда также заметили, что упорядоченное выравнивание этого потока иногда нарушалось и порождало «дефекты»: разрывы в структуре, которые напоминают сходящиеся линии долготы на Северном и Южном полюсах. Эти дефекты были динамическими, они двигались подобно самодвижущимся частицам.
В то время никакая теория не могла объяснить такое поведение. Но в 2014 году Догик объединился с Баушем и физиком Кристиной Маркетти из Сиракузского университета в Нью-Йорке, чтобы описать поведение активных жидких кристаллов, вращающихся на сферических пузырьках, с точки зрения движения дефектов, а не отдельных кристаллических элементов ⁶ . Кроме того, группа обнаружила, что можно настраивать движение дефектов, регулируя диаметр пузырька и поверхностное натяжение, предлагая возможный способ управления активным кристаллом.
Мы до сих пор удивляемся тому, что может произойти.
Догик и его ученики сейчас пытаются это сделать. Изучая спонтанные потоки микротрубочек и белков, заключенных в небольшие контейнеры в форме пончика, они надеются заложить основу для самонакачивающейся жидкости, которая могла бы перемещать молекулы в микрожидкостных устройствах, подобных тем, которые становятся все более распространенными в экспериментальной биологии. медицины и промышленности. Активная материя «меняет наши представления о том, на что способны материалы», — говорит Догик.
Но любое промышленное приложение должно преодолеть по крайней мере одно серьезное препятствие. Биологические материалы, используемые в настоящее время в экспериментах с активными веществами, дороги и требуют много времени для очистки — микротрубочки Догика получают из коровьего мозга, а Бауш использует актин из мышц кролика — и в лаборатории они сохраняются недолго. По словам Бауш, до тех пор, пока не будет найден дешевый, надежный, готовый к использованию источник активных материалов, коммерческое использование маловероятно.
Автономные дроны слетаются, как птицы
Достижения в области синтетических активных материалов могут показать путь вперед. В 2013 году физик из Нью-Йоркского университета Пол Чайкин и его коллеги описали создание частиц гематита, минерала оксида железа, внутри сферического полимера ⁷ . Когда ученые поместили этих «плавателей» в раствор перекиси водорода и подвергли их воздействию синего света, химическая реакция заставила частицы самопроизвольно двигаться, слипаясь и разъединяясь, как группы людей на коктейльной вечеринке.
В 2013 году Бартоло и его коллеги сообщили о крупномасштабных потоках с использованием еще более простых пластиковых сфер в проводящей жидкости ⁸ . Когда исследователи включили электрическое поле, сферы начали вращаться в случайных направлениях. При достаточно высокой плотности взаимодействие между соседними сферами заставляло их спонтанно катиться, как стаи, в одном и том же направлении.
Такие лабораторные материалы, однако, остаются примитивными по сравнению с теми, которые производятся в клетках за 4 миллиарда лет эволюции. Догик отмечает, что кинезины, которые он использует, намного эффективнее, чем любые моторы, созданные человеком, в преобразовании энергии в движение. И Бартоло также быстро препятствует разговорам о краткосрочных выплатах. «Я не ориентируюсь на конкретное приложение», — говорит он о своих вращающихся пластиковых сферах.
Помимо возможных применений, активная материя волнует ученых, потому что она очень похожа на самые сложные из известных самоорганизующихся систем: живые организмы. В 2011 году Догик и его коллеги сообщили ⁹, что пучки микротрубочек, прикрепленные одним концом к пузырькам воздуха на предметном стекле микроскопа, бьются синхронно, волнообразными узорами, устрашающе напоминающими волосовидные реснички и жгутики, которые выступают с поверхности некоторых клетки. А в своей статье ¹ 2012 года он отметил поразительное сходство между его потоками микротрубочек и цитоплазматическими потоками, процессом, в котором цитоскелетные нити объединяются, чтобы взбалтывать содержимое клетки, как «гигантская стиральная машина», — говорит он.
Исследователи создали рой из 1000 роботов
Сходство между приготовленной в лаборатории активной материей и живыми существами может быть поразительным, соглашается Дженнифер Росс, физик из Массачусетского университета в Амхерсте. На лекциях она показывала видеоролики о сферических системах микротрубочки-кинезин и спрашивала слушателей, думают ли они, что видят настоящую клетку. «Всякий раз, когда я представляю их клеточным биологам, они всегда обманываются», — говорит она.
Но что-то может выглядеть и вести себя как живой организм, не следуя тем же правилам, предупреждает Ховард. Он указывает, что группа Догика создала что-то, что выглядит и действует очень похоже на ресничку или жгутик с множеством белков, но на самом деле это может работать совсем по-другому. «В этом есть что-то о лежащем в основе механизме, но это очень абстрактно», — говорит он.
Достаточно?
Чтобы проверить, может ли теория активного вещества раскрыть биологические механизмы, Дэниел Нидлман, биофизик из Гарвардского университета в Кембридже, штат Массачусетс, изучил веретено: структуру на основе микротрубочек, которая контролирует разделение хромосом во время клеточного деления. Он хотел проверить идею, предложенную более ранними теориями и экспериментами, о том, что короткодействующих взаимодействий микротрубочек и кинезина самих по себе достаточно для образования веретеноподобных структур. Сначала он использовал сложные микроскопы для изучения экстрактов яйцеклеток лягушек, количественно определяя плотность микротрубочек, ориентацию и напряжения во время формирования веретена. «На самом деле, пока не появился Дэн, было совершенно неясно, можно ли измерить все эти вещи, — говорит Ховард.
Затем Нидлман объединил свои измерения с моделями самоорганизации активной материи. В 2014 году он и Ян Брюгес, биолог из Института молекулярно-клеточной биологии и генетики им. Макса Планка в Дрездене, Германия, сообщили, что, в соответствии с теорией, взаимодействия, которые они наблюдали между близко расположенными микротрубочками, достаточно для образования веретена и его сохранения. стабильный ¹⁰ . «Люди утверждали, что вам нужны более сложные процессы, — говорит Нидлман. «Но тот факт, что можно так много понять о веретене, не прибегая ни к чему из этого, показывает, что в этом, безусловно, нет необходимости».
Массовый поток управляется математическим законом времени
Другие используют идеи активной материи, чтобы исследовать, как большое количество клеток организуется в таких процессах, как рост тканей, заживление ран и распространение опухолей. Теоретики, в том числе Маркетти, Джоанни и Франк Юлихер из Института физики сложных систем им. Макса Планка в Дрездене, смоделировали ткани ¹¹ и опухоли ¹² как протекающие клетки, которые самоорганизуются посредством межклеточных взаимодействий ближнего действия. чем химические сигналы. Экспериментаторы проверяют такие идеи, например, показывая, что теория активной материи может помочь описать клеточную организацию в развивающемся крыле плодовой мушки 9.0130 13 .
Некоторые биологи надеются, что такие исследования раскроют фундаментальные принципы, управляющие делением, формированием и движением клеток.