Биологи обнаружили универсальные законы коллективного движения живых клеток
Биофизики выявили общие закономерности в коллективном движении клеток, которые сохраняются у бактерий, животных и человека. Клетки демонстрируют скрытую симметрию, известную как конформная инвариантность, в своих вихревых узорах. Это открытие указывает на существование универсальных физических принципов, управляющих живой материей.
Коллективное движение клеток лежит в основе многих биологических процессов — от заживления ран до метастазирования рака. До сих пор считалось, что такие движения зависят от уникальных свойств конкретных клеток: их формы, способа передвижения, взаимодействия.
В физике универсальные закономерности изучают с помощью конформной теории поля. Она описывает системы, где свойства сохраняются при масштабировании, растяжении или повороте — например, фазовые переходы в металлах. Но в биологии подобные принципы обнаружить не удавалось. Новая научная работа, опубликованная в журнале Nature Physics, впервые показала, что живые клетки подчиняются тем же правилам, что и неживая материя в критических состояниях.
Ученые из Копенгагенского университета (Дания) проанализировали движение четырех типов клеток: диких и мутировавших бактерий Pseudomonas aeruginosa, клеток почки собаки и агрессивных клеток рака груди человека. Несмотря на разную эволюционную историю и механизмы движения, все они формировали похожие вихревые структуры.
Для наблюдений применили высокоскоростную микроскопию. Снимки преобразовывали в карты скоростей, а затем вычисляли завихренность — показатель локального вращения. Границы между зонами с разным направлением вращения (нулевая завихренность) анализировали математически.
Анализ данных помог выявить удивительное сходство в структуре вихревых потоков. Во всех четырех системах границы между зонами с разным направлением вращения показали конформную инвариантность — их статистические свойства оставались неизменными при масштабировании, растяжении или других преобразованиях, сохраняющих углы. Это подтвердили два независимых метода: расчет фрактальной размерности и проверка соответствия эволюции Шрамма — Лёвнера.
Фрактальная размерность границ составила 7/4 — значение, предсказанное для конформно-инвариантных кривых. Параметр κ в модели эволюции оказался равен шести. Такое значение соответствует классу перколяции — явлению, которое описывает, как частицы или жидкость проникает через случайную среду. Ранее этот класс наблюдали только в неживых системах, например при изучении фазовых переходов в металлах.
Чтобы исключить случайность, ученые создали минимальную математическую модель коллективного движения. Она воспроизвела те же закономерности: фрактальную размерность 7/4 и параметр κ=6. Это доказало, что универсальность возникает из общих принципов самоорганизации, а не особенностей конкретных клеток.
Открытие меняет представление о самоорганизации живых систем. Даже далекие в эволюционном плане клетки подчиняются общим физическим законам. Это упростит моделирование процессов вроде роста тканей или распространения опухолей. Кроме того, биологические системы теперь можно использовать для проверки предсказаний теоретической физики — к примеру, в исследованиях квантовой гравитации.
Telegram 
Дзен 
VK Процессы, сопровождающие жизнь черных дыр, интересуют не только теоретиков. Ученые уже знают, что энергия и частицы могут покидать черные дыры и теперь работают над способами эту энергию использовать.
Ученые подтвердили один из самых необычных эффектов Общей теории относительности (ОТО): вращение Земли действительно «увлекает» за собой пространство-время. Новое измерение, выполненное с помощью спутника LARES-2, оказалось примерно в 10 раз точнее предыдущих и еще сильнее ограничило пространство для альтернативных теорий гравитации.
В отличие от микрочастиц, наночастицы не только эффективно проходят барьеры дыхательной системы, но и идут дальше — в мозг человека. До сих пор масштаб смертности от них был неясен. Теперь исследователи выяснили, что она доходит до миллионов человек каждый год.
Кит живет двести лет, умеет пробивать головой полуметровый лед и поет океанский джаз голосом несмазанной дверной петли. Охотоморские гренландские киты — это не просто многотонные ледоколы. Это древние узники, которые остались жить в Охотском море со времен последнего оледенения. Это счастливцы, которые смогли пережить гарпуны китобоев XIX-XX веков, но сегодня уязвимы не меньше. Чтобы спасти этих поразительных китов, российским ученым и команде фонда «Природа и люди» приходится: считать хвосты, читать биографии по шрамам, прятать подростков от хищников, стрелять (спутниковыми метками) с парамоторов и тяжелых дронов. Рассказываем, как устроена жизнь гренландских китов России и кто помогает им не исчезнуть навсегда с лица планеты.
Ученые выяснили, почему интервальное голодание для многих оказывается эффективнее обычных диет. Исследование показало, что ограничение времени для приема пищи избавляет худеющего от изнуряющего ощущения жесткого контроля и при этом позволяет сбросить ровно столько же, сколько при скрупулезном подсчете калорий.
Деревья растут и люди стареют не потому, что идет время, а из-за происходящих внутри них процессов. Но можно ли сказать, что именно эти процессы порождают время? Ученый создал маленькую Вселенную, в которой дела обстоят именно так.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
Американские ветеринары установили, что длина шага передних лап у пожилых собак отражает возрастные изменения в работе мозга. Когда у собак развивается деменция, шаги их передних лап становятся короче, причем эта связь не зависит от хронической боли в суставах.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно
Последние комментарии