Materia vie încalcă modelele fizice clasice ale mișcării
Un nou studiu condus de cercetători de la Universitatea Ben-Gurion din Negev (BGU) arată că materia vie încalcă principiile fizice cunoscute ale simetriei atunci când fluxurile celulare formează și destramă modele colective. Cercetarea, publicată în Nature Physics, provoacă fizica clasică a cristalelor lichide, demonstrând că bacteriile unicelulare în mișcare și celulele respiratorii umane rup spontan simetria oglinzii, deplasându-se pe traiectorii spiralate, curbate și ireversibile.
Studiul colaborativ a fost condus de profesorii Avraham Be’er și Victor Yashunsky de la Institutele Jacob Blaustein pentru Cercetarea Deșertului (Campusul Sede Boqer) și Departamentul de Fizică al BGU, alături de profesorul Gil Ariel de la Universitatea Bar-Ilan și profesorul D. J. G. Pearce de la Universitatea din Geneva.
Enigma „curenților” vii și a vârtejurilor celulare
În fizică, colecțiile de obiecte în formă de tijă se aliniază în mod natural și curg împreună precum cristalele lichide. Bacteriile și celulele, care se pot mișca singure, formează o stare cunoscută sub numele de „nematic activ”. În interiorul acestor roiuri în mișcare, perturbări naturale numite defecte topologice se formează constant în perechi. Deși arată ca buclele și spiralele unei amprente permanente, aceste răsuciri active se mișcă continuu, circulând prin roi până când se ciocnesc și se anulează reciproc.
Teoriile fizice standard prezic că, în sistemele nematice active, aceste defecte perechi ar trebui să se apropie și să se îndepărteze pe linii drepte, perfect simetrice. Totuși, observând două sisteme biologice foarte diferite, aflate la granițe evolutive îndepărtate — bacteria Bacillus subtilis, care se mișcă rapid în roiuri, și celulele epiteliale bronșice umane, care se târăsc lent — cercetătorii au descoperit că sistemele vii încalcă aceste așteptări fizice.
Ruperea spontană a simetriei oglinzii
În loc să urmeze căi drepte și simetrice, defectele deviază pe traiectorii distincte, în sens orar sau antiorar, rupând spontan simetria oglinzii. Perechile de defecte nu se mișcă în linii drepte, ci călătoresc una spre cealaltă și apoi se îndepărtează pe traiectorii spiralate curbate, co-rotind activ în timp ce se deplasează.
Măsurarea producției de entropie a relevat, de asemenea, că formarea unei perechi de defecte nu este pur și simplu filmul distrugerii sale redat invers. Aceste evenimente de creare și distrugere acționează ca factori majori, ireversibili, ai disipării energiei în sistemele vii.
Un nou cadru „nemato-polar” pentru biologie
Pentru a reduce decalajul dintre materia biologică și fizica sintetică, echipa a dezvoltat un model activ „nemato-polar”. Acesta explică modul în care celulele auto-propulsate consumă combustibil chimic pentru a genera mișcare direcțională, introducând auto-propulsia polară într-un sistem ordonat nematic. Când această auto-propulsie direcțională este suprapusă peste alinierea cristalului lichid, se creează spontan un cuplu de răsucire intern, în sens orar sau antiorar, chiar în miezul perturbării modelului. Această forță de rotație activă împinge defectele pe o traiectorie spiralată permanentă din momentul nașterii lor până când se ciocnesc și dispar.
De la fizică la biofilm și vindecarea rănilor
Înțelegerea modului în care celulele vii organizează aceste modele de flux colectiv oferă informații despre procese biologice fundamentale. În natură, aceste dinamici fizice guvernează modul în care coloniile bacteriene se coordonează pentru a forma biofilmuri rezistente la medicamente și modul în care straturile de țesut epitelial direcționează traficul celular pentru a închide rănile în timpul reparării țesuturilor.
„Descoperirile noastre demonstrează că natura auto-propulsată a celulelor individuale remodelează fundamental comportamentul colectiv la scări mai mari”, notează cercetătorii. „Prin dezvăluirea modului în care mișcarea microscopică imprimă simetrii neașteptate asupra dinamicii țesuturilor și bacteriilor, acest studiu introduce un nou cadru fizic pentru înțelegerea modului în care comunitățile vii se auto-organizează.”
