Порядок не всегда очевиден с первого взгляда. Если вы бежите со стаей волков, охотясь 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 активного, живого вещества. 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 значение.
Их общее распределение в пространстве в конечном итоге становится решающей характеристикой », – поясняет Голестанян.
От неодушевленной к живой системе
Его команда в Геттингене недавно совершила прорыв в описании живой материи. Чтобы добиться этого, Суроприя 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 неодушевленные смеси, такие как эмульсия нефти и воды, разделяются.
Характеристика, разработанная в 1950-х годах, считается стандартной моделью разделения фаз. Он основан на принципе взаимности: око за око.
Таким образом, масло отталкивает воду так же, как вода отталкивает масло. Однако это не всегда относится к живому веществу или активным системам. Хищник преследует свою добычу, а жертва пытается убежать от хищника.
Только недавно было показано, что существует невзаимное (i.е. активный) поведение даже при движении мельчайших систем, таких как ферменты. Таким образом, ферменты могут концентрироваться в отдельных областях 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 приступила к работе.
Вдруг появляются волны
Первой задачей было изменить 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 (e.грамм. собственное воспроизведение). Суроприя Саха и ее коллеги учитывают это поведение, расширяя уравнение Кана-Хиллиарда параметром, который характеризует невзаимные действия. Таким образом, теперь они могут также описывать процессы, которые в какой-либо степени отличаются от пассивных процессов.
Саха и ее коллеги использовали компьютерное моделирование, чтобы изучить эффекты внесенных модификаций. «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. "Наши исследования показывают, что физика способствует нашему пониманию биологии и что проблемы, возникающие при изучении живой материи, открывают новые возможности для фундаментальных исследований в физике."