Новости космоса и технологий. » Физика » Новая модель, описывающая организацию организмов, может привести к лучшему пониманию биологических процессов

Новая модель, описывающая организацию организмов, может привести к лучшему пониманию биологических процессов

Опубликовал: Admin, 31-10-2020, 01:01, Физика, 58, 0

Новая модель, описывающая организацию организмов, может привести к лучшему пониманию биологических процессов

На первый взгляд стая волков имеет мало общего с винегретом. Однако команда под руководством Рамина Голестаняна, директора Института динамики и самоорганизации Макса Планка, разработала модель, которая устанавливает связь между перемещением хищников и жертв и разделением уксуса и масла. Они расширили теоретическую основу, которая до сих пор действовала только для неодушевленной материи. В дополнение к хищникам и жертвам теперь можно описать другие живые системы, такие как ферменты или самоорганизующиеся клетки.

Порядок не всегда очевиден с первого взгляда. Если вы бежите со стаей волков, охотящихся на оленей, движения будут казаться беспорядочными. Однако, если за охотой наблюдать с высоты птичьего полета и в течение более длительного периода времени, в движении животных становятся очевидными закономерности. В физике такое поведение считается упорядоченным. Но как возникает этот порядок? Отдел физики живой материи Рамина Голестаняна занимается этим вопросом и исследует физические правила, которые управляют движением в живых или активных системах. Цель Голестаняна - выявить универсальные характеристики активной живой материи. Сюда входят не только более крупные организмы, такие как хищники и жертвы, но также бактерии, ферменты и моторные белки, а также искусственные системы, такие как микророботы. «Когда мы описываем группу таких активных систем на больших расстояниях и в течение длительных периодов времени, конкретные детали систем теряют важность. Их общее распределение в пространстве в конечном итоге становится решающей характеристикой», - объясняет Голестанян.

От неодушевленной к живой системе

Его команда в Геттингене недавно совершила прорыв в описании живой материи. Чтобы достичь этого, Сурропия Саха, Хайме Агудо-Каналехо и Рамин Голестанян начали с хорошо известного описания поведения неодушевленной материи и расширили его. Главное было учесть принципиальную разницу между живой и неживой материей. В отличие от неодушевленной пассивной материи, живая активная материя может двигаться сама по себе. Физики используют уравнение Кана-Хиллиарда, чтобы описать, как разделяются неодушевленные смеси, такие как эмульсия масла и воды.

Характеристика, разработанная в 1950-х годах, считается стандартной моделью разделения фаз. В его основе лежит принцип взаимности: око за око. Таким образом, масло отталкивает воду так же, как вода отталкивает масло. Однако это не всегда верно для живого вещества или активных систем. Хищник преследует свою добычу, а жертва пытается убежать от хищника. Только недавно было показано, что существует невзаимное (то есть активное) поведение даже в движении мельчайших систем, таких как ферменты. Таким образом, ферменты могут концентрироваться конкретно в отдельных участках клетки, что необходимо для многих биологических процессов. После этого открытия исследователи из Геттингена исследовали, как ведут себя большие скопления различных ферментов. Будут ли они смешиваться или объединяться в группы? Возникнут ли новые и непредвиденные характеристики? Чтобы ответить на эти вопросы, исследовательская группа принялась за работу.

Вдруг появляются волны

Первой задачей было модифицировать уравнение Кана-Хиллиарда, чтобы включить невзаимные взаимодействия. Поскольку уравнение описывает неживые системы, взаимность пассивных взаимодействий глубоко укоренилась в его структуре. Таким образом, каждый описываемый им процесс заканчивается термодинамическим равновесием. Другими словами, все участники в конечном итоге переходят в состояние покоя. Однако жизнь протекает вне термодинамического равновесия. Это связано с тем, что живые системы не остаются в покое, а, скорее, используют энергию для достижения чего-либо (например, своего собственного воспроизводства). Суроприя Саха и ее коллеги учитывают это поведение, расширяя уравнение Кана-Хиллиарда параметром, характеризующим невзаимную деятельность. Таким образом, теперь они могут также описывать процессы, которые в какой-то степени отличаются от пассивных процессов.

Саха и ее коллеги использовали компьютерное моделирование для изучения эффектов внесенных изменений. «Удивительно, но даже минимальная невзаимность приводит к радикальным отклонениям от поведения пассивных систем», - говорит Саха. Например, исследователь наблюдал образование бегущих волн в смеси двух разных типов частиц. В этом явлении полосы одного компонента преследуют полосы другого компонента, что приводит к образованию движущихся полос. Кроме того, в смесях частиц могут образовываться сложные решетки, в которых небольшие кластеры одного компонента преследуют группы другого компонента. Своей работой исследователи надеются внести свой вклад в научный прогресс как в физике, так и в биологии. Например, новая модель может описывать и предсказывать поведение различных клеток, бактерий или ферментов. «С помощью этой модели мы научили старую собаку новым трюкам», - говорит Голестанян. «Наше исследование показывает, что физика способствует нашему пониманию биологии и что проблемы, возникающие при изучении живой материи, открывают новые возможности для фундаментальных исследований в физике».


Источник


У данной публикации еще нет комментариев. Хотите начать обсуждение?

Написать комментарий
Имя:*
E-Mail:
Введите код: *
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив


Поиск по сайту
Полезные ссылки
Оцените работу сайта

TEHNONEWS

Новости космоса технологий нанотехнологий физики и химии