Активная материя, которая не подчиняется обычным законам физики

Водовороты, образующиеся в морях и океанах, вихри, ураганы, торнадо многие годы считались одной из самых сложных неразгаданных загадок мира физики.

Вихревое движение или турбулентность создаёт учёным проблему в том, что оно непредсказуемо. Учёные даже не могут определить основное уравнение турбулентности.

Модели, разработанные в 2022 году группой исследователей из Сколковского института науки и технологий в Москве, помогают немного лучше понять, как работают водовороты. Было обнаружено, что составляющие их частицы ведут себя иначе, чем обычные инертные материалы, такие как камни, например.

Инертные материалы подвержены влиянию обычных ньютоновских законов физики, они постепенно изменяют свою скорость в ответ на приложенную к ним постоянную внешнюю силу. Например, скорость падения яблока с дерева будет увеличиваться под действием силы тяжести. Но частицы в вихрях по-разному реагируют на приложенную к ним внешнюю силу. Они притягиваются друг к другу, сталкиваются друг с другом и работают согласованно, образуя большую общую массу материи, движущуюся вокруг общего центра.

Таким образом группа исследователей пришла к выводу, что частицы в водоворотах состоят не из обычного «пассивного» вещества, а находятся в особом агрегатном состоянии, известном как «активное вещество», о котором мало что известно.

«В общем, вещество, называемое „активным“ (а не только то, что появляется в водоворотах), обычно относится к системе частиц, которые движутся сами по себе и часто действуют согласованно друг с другом и проявляют коллективное поведение», — объясняет профессор Игорь Арнсон из Университета штата Пенсильвания, который изучает эти активные ингредиенты и их коллективное поведение более 30 лет.

Профессор Арнсон поясняет, что такие загадочные явления коллективного поведения активного вещества наблюдались в самых разнообразных процессах в окружающем нас мире — в воздухе, воде и даже в глубинах живых клеток и сосудов.

Такое коллективное поведение активного вещества наблюдалось, например, в исследовании, проведённом группой американских исследователей в 2020 году по движению фермента (одного из видов белка) лизоцимного типа. Фермент играет важную роль в нашей врождённой иммунной системе, он борется с вторгающимися бактериями и способен разрушать клеточную стенку бактерии, тем самым приводя её к гибели. Как показали американские исследователи, чтобы иметь возможность эффективно распространяться в пространстве, эти ферменты соединяются друг с другом круговым движением, чем-то похожим на вихревое, а затем перемещаются в пространстве скоординированным образом.

(Shutterstock)

Это делают не только ферменты, в организме есть целые клетки, которые движутся согласованно друг с другом. Такое случается нечасто, поскольку большинство клеток в нашем теле более или менее зафиксированы на месте. Но существуют ситуации, в которых наши клетки объединяются в совместном движении, подобном движению «активного вещества». Например, в процессах заживления ран.

После повреждения кровеносного сосуда развивается скоординированное движение эндотелиальных клеток — клеток, выстилающих внутреннюю стенку кровеносных сосудов. «Лидерные клетки» у края раны создают механические и химические связи с некоторыми соседними клетками и ведут их в совместном движении к ране, чтобы её прикрыть.

— Действительно ли сами клетки инициируют своё коллективное движение?

Профессор Игорь Арнсон: Обычно, когда говорят об активном веществе, имеют в виду частицы, которые просто перемещаются в пространстве, но теперь мы предполагаем, что они также обладают способностью принимать простые решения. Например, если они сталкиваются с каким-то химическим веществом, концентрация которого достаточно высока, они могут подать ответный сигнал тем же самым химическим веществом. Здесь речь идёт об очень простых решениях, которые приводят к другим, более сложным функциям, включают, например, чувствительность к окружающей среде.

— То есть это не процесс, управляемый с более высокого уровня, например, через гормоны, которые выделяет мозг?

Профессор Игорь Арнсон: Нет, гормоны здесь не выделяются. Как только появляется рана, из её области выделяются какие-то химические вещества, которые подают сигнал соседним клеткам и задействуют их. Они заставляют их начать двигаться к области раны. Мозг в такой деятельности не участвует.

Если вы думаете о человеческой коже как о типе вещества, то это вещество обладает свойствами. Основная разница между пластиковым материалом и человеческой кожей заключается в том, что кожа может восстанавливать повреждения, которые с ней происходят. Чтобы восстановить повреждение, кожа должна находиться в неравновесном состоянии, что активизирует у неё самодвижение. И во время этого самодвижения она становится активной, она берёт энергию из окружающей среды и затем использует эту энергию для поддержания своего самофункционирования, реагирует на изменения вокруг неё, например, на изменение температуры. Таким образом, кожа может сама залечить рану.

— То есть, вещество становится «активным» и порождает коллективную организацию из-за своей неуравновешенности?

Профессор Игорь Арнсон: Да.

Исаак Ньютон. (Shutterstock)

Вне законов движения Ньютона

Чудесная способность клеток действовать коллективно как активное вещество выражается в наших системах организма и в других формах, например, когда раковые клетки координируют между собой вторжение в новое место в организме с намерением создать новый рак, метастазы. На первом этапе соседние раковые клетки сближаются и начинают передавать между собой молекулы, усиливающие их адгезию.

Позже, когда к скоплению клеток присоединяются дополнительные раковые клетки, вокруг скопления развивается «внеклеточный матрикс», который окружает и улавливает раковые клетки внутри него вместе, скоординировано. Эти клетки продолжают свой путь относительно защищёнными, чтобы поселиться в новом месте и начать метастазирование нового рака.

Профессор Игорь Арнсон: Это обширная и важная тема. Многие виды рака (такие как рак молочной железы, меланома, некоторые виды карциномы и другие) образуют скопления клеток, которые движутся вместе. Раковые клетки имеют тенденцию много двигаться, и когда они встречаются с другими раковыми клетками, они образуют скопления, которые вместе наносят большой ущерб.

Есть исследователи, которые пытаются помешать такой миграции раковых клеток. Обычные медикаментозные методы лечения направлены на разрушение раковых клеток, но здесь используется другой механизм — разрушить физические механизмы, которые способствуют движению раковых клеток.

Такое коллективное движение существует не только у клеток, не ограничивается клетками человеческого тела. Его также можно найти среди других видов материи. Самый знакомый и опасный пример — бактерии, которые соединяются друг с другом и образуют «биоплёнку» — сообщество бактерий, прилипших к поверхности и защищающих себя от внешней среды — например, от антибиотиков. Это явление особенно проблематично в больницах, где биоплёнки устойчивых к антибиотикам бактерий цепляются за медицинское оборудование и угрожают проникнуть в организм пациентов через открытые раны.

Чтобы бактерии перешли к совместным действиям, как в биоплёнке, им важно убедиться, что их достаточно в окружающей среде, и они проверяют это с помощью механизма, известного как «чувство кворума». Каждая бактерия выделяет в окружающую среду определённую молекулу, которая является её агентом в определённой области. После того как достаточное количество бактерий выделило своих агентов, бактерии понимают, что теперь их много и они сила, бактерии соединяются и образуют биоплёнку.

После того как бактерии прилипнут друг другу и к поверхности, или к другим бактериям, которые уже прилипли к поверхности, они обязательно окружают себя межклеточным веществом («внеклеточным матриксом»), содержащим всё необходимое — воду, белки, сахара, жиры, аминокислоты и многое другое. Внеклеточный матрикс, заполняющий биоплёнку, обеспечивает бактериям эффективную защиту от угроз окружающей среды.

Отдельная частица в кооперативной системе может быть очень простой, и большая часть исследований на сегодняшний день связана с частицами с очень простыми характеристиками и поведением, Например, когда такая частица приближается к соседней частице, она выравнивается в её направлении, а затем они вместе движутся в одном направлении. Это очень простое взаимодействие, но оно может привести к появлению функциональности и сложных структур.

— Почему важно понять это явление?

Профессор Игорь Арнсон: Потому что это даёт нам представление о явлениях дисбаланса. Совместное (кооперированное) поведение — это проявление систем, которые не находятся в равновесии. И такие системы имеют множество приложений. Некоторые из функций, которые мы обсуждаем, являются медицинскими — например, как помешать раковым клеткам образовывать метастазы, также понять, как развиваются биоплёнки. Я также работаю над производством биосинтетических систем.

Примером этого является исследование, проведённое профессором Арнсоном в 2015 году, в котором изучались процессы совместного движения клеток с целью разработки синтетических материалов, способных восстанавливаться, подобно тому как клетки кожи становятся активным веществом, помогающим излечить раны. Профессор Арнсон также работает над созданием синтетических материалов, которые благодаря их координации способны принимать простые решения.

— Вы несколько раз упомянули, что активный агент принимает простые решения. Говоря о принятии решений, создаётся впечатление, что за ними стоит что-то одушевлённое, способное их принимать.

Профессор Игорь Арнсон: Это не обязательно что-то одушевлённое, это может быть что-то динамичное и очень простое. Можно, например, запрограммировать неодушевлённый объект так, чтобы он принимал решения. Речь идёт о материале, который что-либо знает и может в соответствии ответить. Мы произвели несколько таких синтетических материалов в нашей лаборатории.

— Давайте поговорим, например, об «активном веществе» турбулентных процессов, которые учёные пытаются уже много лет безуспешно понять. Объясните мне яснее, что имеется в виду под законами движения Ньютона, действующими на этот материал не так, как на нормальный материал.

Профессор Игорь Арнсон: Законы движения Ньютона, безусловно, не работают с этим материалом таким же образом, как с обычным. Частицы «активного вещества» потребляют энергию из окружающей среды и преобразуют её в механическое движение, но отличающееся от динамика Ньютона, и кажется, что нарушает их. Например, в случае роя бактерий частицы потребляют энергию из окружающей среды и преобразуют её в механическое движение, так что это также, по-видимому, нарушает второй закон Ньютона. Процессы турбулентности и у водоворотов, и у бактерий, и у торнадо сильно отличаются друг от друга, но и те и другие движутся не только по инерции по законам Ньютона, они более сложны.

— Если бы мы знали больше о коллективном поведении таких активных веществ, может быть, мы поняли бы, что мир вокруг нас более организован, чем принято думать, и не такой уж случайный?

Профессор Игорь Арнсон: Да, это возможно.

По словам профессора, благодаря активности этих материалов, для которой характерна «самоорганизация», вещи кажутся менее случайными.

Vk Telegram Facebook Twittern Od Email

Поддержите нас!

Каждый день наш проект старается радовать вас качественным и интересным контентом. Поддержите нас любой суммой денег удобным вам способом!

Поддержать