Универсална конформна инвариантност на клетъчните движения: Живата материя се организира по универсални закони

Ваня Милева Последна промяна на 15 април 2025 в 00:00 1995 0

Измервания с висока резолюция на кохерентните потоци от клетъчни култури

Кредит Benjamin H. Andersen et al/Nature Physics
Измервания с висока резолюция на кохерентните потоци от клетъчни култури

Изследователи представят доказателства за универсална конформна инвариантност в живи биологични клетки в ново изследване на Nature Physics. Те показват, че в групите от живи клетки се появяват универсални характеристики в колективното им поведение.

Изследователите са проучили четири клетъчни системи, за да намерят доказателства за универсална конформна инвариантност. Въпреки че са разделени от милиарди години еволюция, учените установяват, че и четирите системи генерират вихрови потоци с идентични статистически свойства.

"Когато разбърквате чаша с вода, виждате как се образуват и изчезват вихри. Нещо подобно се случва, когато бактериите или човешките клетки се движат колективно; те също образуват вихрови модели", обяснява един от съавторите на изследването, д-р Амин Дустмохамади (Amin Doostmohammadi), доцент в Университета в Копенхаген.

"Това, което ни учуди, бе да открием, че всички тези изключително различни видове клетки показват скрита симетрия, наречена конформна инвариантност, в своите вихрови модели. Това означава, че колективното им движение следва едни и същи статистически модели, дори когато увеличавате или намалявате мащаба, разтягате или променяте формата им."

Колективно поведение и CFT

Колективното движение възниква благодарение на специфичните свойства на отделните съставни части. Това включва тяхното взаимодействие, движение и реакция на стимули.

Получените в резултат на това нововъзникващи свойства варират в различните системи, което прави трудно изучаването на универсалните принципи, управляващи колективното движение - ако те са налице.

В предишни изследвания изследователите са успели да идентифицират универсални поведения в близост до критични режими в неодушевени системи като метални или сплавни материали.

Тези универсални поведения се описват от конформната теория на полето (CFT) - мощна математическа рамка. CFT може да се прилага към мащабно инвариантни (подобни) и запазващи ъглите системи, които често се наблюдават в критични точки (като фазови промени).

"Начинът, по който живата материя се самоорганизира, е една от най-големите нерешени загадки в науката. Нашето вдъхновение дойде от един смел въпрос: Възможно ли е да съществуват универсални закони, подобни на тези във физиката, които да управляват начина, по който клетките се самоорганизират?", коментира д-р Дустмохамади.

Анализ на четири различни живи системи

Изследователите изследват клетките на дивия тип бактерии Pseudomonas aeruginosa, мутирал щам на същите бактерии, клетки на кучешки бъбрек Мадин-Дарби (Madin-Darby и  клетки на човешки агресивен рак на гърдата.

Кучешките бъбречни клетки на Мадин-Дарби (MDCK) са клетъчна линия от бозайници, използвани в биомедицински изследвания. Клетките MDCK се използват за широк спектър от изследвания на клетъчната биология, включително клетъчна полярност, клетъчно-клетъчна адхезия, колективна клетъчна подвижност, изследвания за токсичност и клетъчна реакция към растежни фактори. Това е един от малкото модели на клетъчна култура, който е подходящ за 3D клетъчна култура и многоклетъчни пренареждания или разклонена морфогенеза

Четирите системи представляват широк спектър от клетъчни типове (еукариоти и прокариоти) с различни механизми на движение и клетъчни свойства.

За всяка система изследователите създават монослоеве от клетки и проследяват движението им с помощта на изображения с висока разделителна способност. Получените области са анализирани, за да се изчисли вихровото движение, което представлява локалното въртене в дадена точка.

Три представителни клъстера с положителна вихровост за илюстриране на методите, използвани в анализите на периметъра на контура и радиуса на въртене. Кредит: Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-02791-2

За областите с нулева вихровост (мярка за въртенето на флуид) - които представляват границата, където се променя ротационното поведение на системата - изследователите извършват математически анализи. Те включват измерване на фракталното измерение, проверка дали контурите следват еволюцията на Шрам-Льонер (SLE) и изчисляване на ъглите на усукване.

"SLE е теория, която обикновено се използва във физиката за описване на перколация, магнетизъм и дори аспекти на квантовата гравитация", обяснява д-р Дустмохамади.

В SLE конформно инвариантните криви се характеризират с един-единствен параметър κ, който идентифицира специфични класове универсалност, проявяващи сходно възникващо поведение.

Изследователите разработват и прост компютърен модел, който да пресъздава същите модели, наблюдавани в четирите системи, което предполага, че тези универсални свойства възникват естествено от колективната динамика, независимо от клетъчните детайли.

Клас на универсалност на перколацията

Изследователите установяват, че параметърът κ е измерен на 6 за всичките четири системи. Той принадлежи към класа на универсалност на перколацията - същия клас, който описва движението на частици или течности през пореста среда, като например вода, течаща през пореста скала.

"Това откритие подсказва, че на фундаментално ниво живата материя се организира според универсални закони - закони, които важат за цялото дърво на живота, от бактерии до човешки клетки с много различна биология и много различна морфология", отбеляза д-р Дустмохамади.

Това откритие на универсалната конформна инвариантност свързва биологията с концепциите на теоретичната математика и физика.

Тази универсалност е още по-забележителна, като се има предвид, че тези биологични системи работят далеч от равновесието, като постоянно консумират енергия, за да поддържат движението си - за разлика от равновесните състояния, при които обикновено се наблюдава такова универсално поведение във физиката и математиката.

С поглед към бъдещето д-р Дустмохамади посочва, че тази работа може да помогне за подобряване на разбирането ни за прогресията на рака, заздравяването на рани и развитието на тъканите. Освен това може да вдъхнови нови методологии в синтетичната биология и регенеративната медицина. Не само това, но тези биологични системи вече могат да служат като експериментални платформи за тестване на прогнози от CFT, които основно са били ограничени до теоретични и числени симулации.

Справка: Benjamin H. Andersen et al, Evidence of universal conformal invariance in living biological matter, Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-02791-2.

Източник: Scientists find evidence of universal conformal invariance in diverse cellular movement , Tejasri Gururaj, Phys.org

Виж още за:
    Най-важното
    Всички новини

    Още от Животът

    Коментари

    За писането на коментар е необходима регистрация.
    Моля, регистрирайте се от TУК!
    Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

    Няма коментари към тази новина !