Секретный код жизни? Физики нашли единый закон для движения всех живых клеток
Жизнь полна сюрпризов, особенно если заглянуть в микроскоп. Мы привыкли думать о клетках как о крошечных биологических автоматах, каждая со своей программой. Но что происходит, когда они собираются вместе? Недавнее исследование открыло поистине поразительную тайну: будь то скромные бактерии, объединяющиеся в колонии, или сложные клетки животных, работающие сообща в ткани, их коллективный танец подчиняется одним и тем же фундаментальным закономерностям. Словно они все тайно говорят на одном языке — языке, заимствованном не из учебников биологии, а из мира теоретической физики! Этот скрытый универсальный ритм связывает формы жизни, разделенные миллиардами лет эволюции, так, как никто и не ожидал.
Недавно группа ученых из Копенгагенского университета и других институтов сделала открытие, которое, честно говоря, заставляет по-новому взглянуть на саму организацию живой материи. Результаты их работы опубликованы в престижном журнале Nature Physics, и они действительно впечатляют. Давайте разберемся, что же такого удивительного они увидели.
А что, собственно, нашли?
Представьте себе: исследователи взяли несколько совершенно разных клеточных культур. Тут были и шустрые бактерии Pseudomonas aeruginosa (причем как обычные, так и мутантные штаммы), и клетки почки собаки (линия MDCK, часто используемая в лабораториях), и даже клетки человеческого происхождения, участвующие в формировании тканей. В общем, довольно пестрая компания из микромира.
Они поместили эти клетки тонким слоем на поверхность и стали наблюдать, как те движутся. А клетки, знаете ли, редко сидят на месте, особенно когда их много. Они ползут, толкаются, образуя сложные, постоянно меняющиеся узоры. Что-то вроде очень медленного, но завораживающего танца толпы.
Ученые заметили, что в этом клеточном «броуновском движении» возникают вихри, похожие на крошечные водовороты. Как объяснил один из авторов, доктор Амин Дустмохаммади: «Когда вы размешиваете воду в чашке, появляются и исчезают водовороты. Нечто похожее происходит, когда бактерии или клетки человека движутся вместе».
Но самое поразительное ждало впереди.
Скрытая симметрия, или привет из мира физики!
Исследователи решили проанализировать эти «клеточные водовороты» с помощью довольно хитрого математического аппарата. Их интересовали не столько сами вихри, сколько границы между ними — области, где направление вращения меняется. И вот тут-то и вылезла на свет божий так называемая конформная инвариантность.
Звучит сложно? Попробую объяснить на пальцах. Представьте, что у вас есть узор этих клеточных вихрей. Конформная инвариантность означает, что если вы мысленно увеличите или уменьшите этот узор, растянете его или даже немного изогнете (но сохраняя углы!), статистические характеристики этого узора останутся прежними. То есть, основные правила игры не меняются в зависимости от масштаба или формы.
Такая симметрия хорошо известна в физике, особенно в теории фазовых переходов (когда вода замерзает или кипит, например) и описывается конформной теорией поля (КТП). Но найти ее в живых, активно движущихся и потребляющих энергию клетках — это было действительно неожиданно! Обычно такие красивые универсальные законы находят в системах, близких к равновесию, а живые клетки — это системы, которые от равновесия ой как далеки.
Магическое число 6 и при чем тут вода в камне
Чтобы количественно описать эту симметрию, ученые использовали математический инструмент под названием эволюция Шрамма-Лёвнера (SLE). Не будем вдаваться в дебри, но суть в том, что SLE позволяет характеризовать такие сложные, извилистые границы одним числом — параметром κ (каппа).
И что вы думаете? Для всех четырех (!) совершенно разных клеточных систем — от бактерий до человеческих клеток — этот параметр κ оказался равен… шести! Одно и то же число для всех.
А теперь вишенка на торте. Значение κ=6 в физике соответствует так называемому классу универсальности перколяции. Перколяция — это процесс протекания, например, как вода просачивается сквозь пористый камень или как огонь распространяется по лесу. То есть, статистические законы, управляющие движением границ между клеточными вихрями у бактерий и человеческих клеток, оказались такими же, как у воды, текущей через горную породу!
Просто вдумайтесь в это на секунду. Разные механизмы движения, разная биология, разные масштабы — а базовый принцип организации коллективного движения один и тот же.
Почему это так важно?
Ну, во-первых, это просто красиво. Обнаружение таких глубоких, универсальных законов в живой природе всегда захватывает дух. Это говорит о том, что за кажущимся хаосом жизни скрывается строгая математическая гармония.
Во-вторых, это открытие — настоящий мост между биологией и фундаментальной физикой. Оно показывает, что мощные математические концепции, разработанные для описания неживой материи, могут быть применимы и к сложнейшим живым системам.
Более того, эти знания могут подстегнуть развитие синтетической биологии (создание искусственных живых систем) и регенеративной медицины (выращивание тканей и органов).
И еще один интересный момент: живые клетки теперь можно рассматривать как своего рода «живые лаборатории» для проверки предсказаний конформной теории поля, которые раньше были доступны в основном только для компьютерных симуляций.
Что дальше?
Конечно, это только начало пути. Ученым предстоит выяснить, почему именно этот класс универсальности (перколяция) проявляется в клеточных коллективах, и какие именно минимальные клеточные взаимодействия приводят к такому результату. Но уже сейчас ясно: мы стали свидетелями удивительного открытия, которое показывает, что даже на самом фундаментальном уровне жизнь стремится к порядку и универсальности, объединяя в своем танце и простую бактерию, и сложную клетку человека. Поразительно, не правда ли?
