|
Разгадали тайны перемещения микротрубочек
|
|
|
|
Активная материя — это любая совокупность материалов или систем, состоящая из отдельных единиц, которые могут двигаться самостоятельно благодаря самодвижению или автономному движению. Они могут быть любого размера — представьте себе облака бактерий в чашке Петри или косяки рыб. Романа Григорьева больше всего интересует эмерджентное поведение систем активной материи, состоящих из единиц молекулярного масштаба — крошечных систем, которые преобразуют накопленную энергию в направленное движение, потребляя энергию при движении и оказывая механическое воздействие. «Системы активной материи привлекли значительное внимание в физике, биологии и материаловедении благодаря своим уникальным свойствам и потенциальным применениям», — объясняет Григорьев, профессор Школы физики Технологического института Джорджии.
|
|
|
|
«Исследователи изучают, как активную материю можно использовать для таких задач, как разработка новых материалов с индивидуальными свойствами, понимание поведения биологических организмов и даже разработка новых подходов к робототехнике и автономным системам», — говорит он. Но это возможно только в том случае, если ученые узнают, как взаимодействуют микроскопические единицы, составляющие активную материю, и могут ли они влиять на эти взаимодействия и, следовательно, на коллективные свойства активной материи в макроскопическом масштабе. Григорьев и его коллеги-исследователи сделали потенциальный первый шаг, разработав новую модель активной материи, которая позволила по-новому взглянуть на физику проблемы. Они подробно описывают свои методы и результаты в исследовании, опубликованном в журнале Science Advances, «Физически обоснованное моделирование активных нематиков на основе данных».
|
|
|
В число соавторов Григорьева входят выпускники Школы физики Мэтью Голден и Джиотишрадж Намбисан, а также Альберто Фернандес-Ньевес, профессор кафедры физики конденсированного состояния Университета Барселоны и бывший доцент кафедры физики Технологического института Джорджии. Исследовательская группа сосредоточилась на одном из наиболее распространенных примеров активной материи — суспензии самодвижущихся частиц, таких как бактерии или синтетические микроплаватели, в жидкой среде. Эти частицы группируются, роятся и иным образом образуют динамические структуры благодаря своей способности двигаться и взаимодействовать друг с другом. «В нашей статье мы используем данные экспериментальной системы, включающей суспензии микротрубочек, которые обеспечивают структурную поддержку, форму и организацию эукариотических клеток (любой клетки с четко выраженным ядром)», — объясняет Григорьев.
|
|
|
|
Микротрубочки, а также актиновые нити и некоторые бактерии являются примерами нематиков, палочковидных объектов, «головы» которых неотличимы от «хвостов». Движение микротрубочек приводится в движение молекулярными моторами, приводимыми в действие белком кинезином, который потребляет аденозинтрифосфат (АТФ), растворенный в жидкости, для скольжения пары соседних микротрубочек мимо друг друга. В системе исследователя использовались микротрубочки, подвешенные между слоями масла и воды, что ограничивало их движение двумя измерениями. «Это облегчает визуализацию микротрубочек и отслеживание их движения. Изменяя концентрации кинезина или АТФ, мы можем контролировать движение микротрубочек, что делает эту экспериментальную установку безусловно одной из самых популярных в изучении активных нематиков и даже в более общем плане — активная материя», — сказал Григорьев.
|
|
|
|
Получение более четкой картины движений микротрубочек было лишь одним открытием в исследовании. Другой — узнать больше о взаимосвязях между характерными закономерностями, описывающими ориентацию и движение нематических молекул в макроскопическом масштабе. Эти закономерности, или топологические дефекты, определяют, как нематики ориентируются на границе раздела нефти и воды, то есть в двух пространственных измерениях. «Понимание связи между потоком — глобальным свойством системы или жидкости — и топологическими дефектами, которые описывают локальную ориентацию микротрубочек, является одним из ключевых интеллектуальных вопросов, стоящих перед исследователями в этой области», — сказал Григорьев. «Необходимо правильно определить доминирующие физические эффекты, которые контролируют взаимодействие между микротрубочками и окружающей жидкостью».
|
|
|
|
«И здесь история становится интересной», — добавляет Григорьев. «Более десяти лет считалось, что ключевые аспекты физики хорошо изучены, при этом большое количество теоретических и вычислительных исследований опиралось на общепринятую модель первых принципов», то есть модель, основанную на устоявшейся науке, «которая изначально была выведена для активных нематиков в трех пространственных измерениях». Однако в модели Технологического института Джорджии динамика активных нематиков — точнее, длина и временные масштабы возникающих структур — контролируется парой физических констант, описывающих предполагаемые доминирующие физические эффекты: жесткость микротрубочек (их гибкость ), и активность, описывающая стресс или силу, создаваемую кинезиновыми моторами.
|
|
|
|
«Используя подход, основанный на данных, мы вывели правильную форму модели, демонстрируя, что для двумерных активных нематиков доминирующие физические эффекты отличаются от того, что предполагалось ранее», — говорит Григорьев. «В частности, временной масштаб определяется скоростью, с которой пучки микротрубочек растягиваются кинезином». Именно эта скорость, а не стресс, является постоянной. Григорьев сказал, что результаты исследования имеют важное значение для понимания активных нематиков и их возникающего поведения, объясняя, что они помогают рационализировать ряд недавних экспериментальных результатов, которые ранее не были объяснены, например, как плотность топологических дефектов масштабируется с концентрацией кинезина. и вязкость слоев жидкости.
|
|
|
|
«Что еще более важно, наши результаты демонстрируют опасность, связанную с традиционными предположениями, на которые часто опираются авторитетные исследовательские сообщества и которые с трудом преодолевают», — сказал Григорьев. «Хотя методы, основанные на данных, могут иметь свои собственные источники предвзятости, они предлагают точку зрения, которая достаточно отличается от более традиционных подходов, чтобы стать ценным инструментом исследования сами по себе».
|
|
|
|
Источник
|
