За някои може да е невероятно, но движението на хищници и плячка и разделянето на оцет и олио могат да се опишат в една теоретична рамка, която е валидна не само за неживата материя, а и за други живи системи, като ензими или самоорганизиращи се клетки.
В много процеси има скрита подреденост. Ако тичате с глутница вълци, ловуващи елени, движенията на хищници и плячка биха изглеждали хаотични. Ако обаче ловът се наблюдава от птичи поглед и за по-дълъг период от време, в движението на животните се забелязват закономерности.
Как се появява този ред?
Изследвайки физическите правила, които управляват движението в живите или активните системи, върху отговора на този въпрос работи екип, ръководен от Рамин Голестян (Ramin Golestanian), директор на Института за динамика и самоорганизация "Макс Планк".
Целта, която си поставя Голестян, е да разкрие универсалните характеристики на активната, жива материя. Това включва не само по-големи организми като хищници и плячка, но и бактерии, ензими и моторни протеини, както и изкуствени системи като микророботи.
"Когато се описва група от такива активни системи от голямо разстояние и дълги периоди от време, специфичните детайли на системите губят значение. Тяхното цялостно разпределение в пространството в крайна сметка се превръща в решаващата характеристика", обяснява Голестян.
От нежива към жива система
Неговият екип в Гьотинген наскоро извършва пробив в описанието на живата материя. За да постигнат това, те започват с добре познатото описание на поведението на неживата материя и го разширяват. Основният момент е да се вземе предвид фундаменталната разлика между живата и неживата материя. За разлика от неживата, пасивна материя, живата, активна материя може да се движи самостоятелно. Физиците използват уравнението на Кан-Хилиард, за да опишат как се разделят неживи смеси, като например емулсия от масло и вода.
Характеризирането, разработено през 50-те години на миналия век, се смята за стандартен модел на фазово разделяне. То се основава на принципа на реципрочност: "Око за око".
Следователно маслото отблъсква водата по същия начин, както водата отблъсква маслото. Това обаче не винаги е така за живата материя или активните системи. Хищникът преследва плячката си, докато плячката се опитва да избяга от хищника. Едва наскоро бе показано, че има нереципрочно (т.е. активно) поведение дори при движението на най-малките системи, като ензимите.
Нереципрочно поведение
Взаимодействията между хората като цяло са нереципрочни, което означава, че начина, по който човек А се отнася към човек Б, не е непременно същият като начина, по който човек Б се отнася към човек А.
Това води до потенциални сложности и разочарования в колективните взаимодействия между много хора. За хората и други висши организми взаимодействията се определят чрез решения, основани на обработката на спектър от независими и често противоречиви сензорни сигнали, което естествено води до нереципрочност. Забележително е обаче, че колоидните частици и ензими проявяват нереципрочни взаимодействия, когато са каталитично активни, без да е необходима гореспоменатата сложна техника.
Механизмът зад подобни нереципрочни взаимодействия, които са демонстрирани експериментално, е доста общ: той произтича от междуфазови транспортни процеси, които се равняват на отговор на всеки ензим или активен колоид към градиентите на химикали, създадени от други.
По този начин ензимите могат да се концентрират специфично в отделни клетъчни области – нещо, което е необходимо за много биологични процеси. След това откритие, изследователите от Гьотинген изследват как се държат големи натрупвания на различни ензими.
Ефервесценция в нереципрочна активна смес с два вида, свързана с несъвършено нарушаване на PT-симетрията (огледална и времева). (вляво) Нелинейните нереципрочни взаимодействия водят до нова форма на пространствено-времеви хаос, при който капчиците се образуват на произволни места и изчезват, след като съществуват за променлив период от време, както се вижда на графиката, показваща еволюцията на един от видовете. (вдясно) Чрез промяна на средната плътност в системата се наблюдава относително дълъг ефервесцентен режим, който внезапно отстъпва място на пулсиращи капчици, които се уедряват с течение на времето. Кредит: MPI-DS / Saha & Golestanian.
Биха ли се смесили или биха образували групи? Биха ли възникнали нови и непредвидени характеристики?
С цел да отговори на тези въпроси, изследователският екип се хваща за работа.
Внезапно се появяват вълни
Първата задача е да се модифицира уравнението на Кан-Хилиард, за да се включат нереципрочни взаимодействия.
Тъй като уравнението описва неживи системи, реципрочността на пасивните взаимодействия е дълбоко вградена в неговата структура. По този начин всеки процес, описан от него, завършва в термодинамично равновесие.
С други думи, всички участници в крайна сметка изпадат в състояние на покой.
Животът обаче протича извън термодинамичното равновесие. Това е така, защото живите системи не остават в покой, а по-скоро използват енергия, за да постигнат нещо (например собственото си размножаване).
Изследователите вземат предвид това поведение, разширявайки уравнението на Кан-Хилиард с параметър, който характеризира нереципрочните дейности. По този начин те вече могат да опишат и процеси, които се различават от пасивните процеси до известна степен.
Екипът използва компютърни симулации, за да изучава ефектите от въведените модификации.
Изследователите са изненадени, че дори минимална нереципрочност води до радикални отклонения от поведението на пасивните системи. Например наблюдавано е образуването на пътуващи вълни в смес от два различни вида частици.
Формиране на модели в системи с нереципрочни взаимодействия. С течение на времето компютърна симулация на нестабилен дефект в мишената, който излъчва пътуващи вълни (панел 1), еволюира през множество четирикратно симетрични модели (панели 2-4). В по-късен момент тази симетрия се губи (панел 5) и се появява хаотично състояние без модели (панел 6 ). Кредит: MPI-DS / Rana & Golestanian
При това явление ленти от единия компонент преследват лентите от другия компонент, което води до модел от движещи се ивици. Освен това, в смеси от частици могат да се образуват сложни решетки, в които малки клъстери от единия компонент преследват групи от другия компонент.
С работата си изследователите се надяват да допринесат за научния прогрес както във физиката, така и в биологията. Например новият модел може да описва и предсказва поведението на различни клетки, бактерии или ензими.
"Научихме старо куче на нови трикове с този модел“, отбелязва Голестанян. "Нашите изследвания показват, че физиката допринася за нашето разбиране за биологията и че предизвикателствата, породени от изучаването на живата материя, отварят нови пътища за фундаментални изследвания във физиката."
Справка: Non-reciprocal active-matter: A tale of “loving hate, brawling love” across the scales; Ramin Golestanian, Max Planck, Rudolf Peierls; EuroPhysics news; DOI: https://doi.org/10.1051/epn/2024305
Източник: The order of life, The Max Planck Society
Още по темата
Животът
Има само пет правила, които оформят органите
Животът
Можем ли да програмираме живота? Пренаписване на правилата за това как клетките се самоорганизират
Физика
Животът е неизбежна последица от физиката според нови изследвания (видео)
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари
Прост Човек
Стъклените бутилки съдържат 5 до 50 пъти повече микропластмаси от пластмасовите бутилки
dolivo
Най-старите "човешки" фосили в Япония, се оказаха нечовешки, твърди ново проучване
dolivo
Как „зеленото побутване“ стимулира устойчивите избори на хората
helper68
Натурални суперколайдери: Черните дупки могат да се използват ускорители на частици