Учени потвърдиха структурно подобие между човешките клетки и неутронните звезди

4-scientistsco
(a) Ендоплазмен ретикулум в клетките; (b) Структури в неутронните звезди. Credit: University of California – Santa Barbara

Ние, хората, може би имаме по-голямо съответствие с вселената, отколкото може да си представим. Според проучване, публикувано в списание Physical Review C, неутронните звезди и клетъчната цитоплазма имат нещо общо: структури, които приличат на многоетажни гаражи.

През 2014 г. физикът Грег Хубер от UC Santa Barbara и колегите му проучиха биофизиката на тези форми – спирала, която свързва купчина от равномерно разположени пластове в клетъчен органел, наречен ендоплазмен ретикулум (ЕР). Хубер и колегите му ги кръстили Рампи на Терасаки (Terasaki ramps) в чест на техния откривател Марк Терасаки – клетъчен биолог в Университета Кънектикът.

Хубер мислел, че тези „гаражи“ са уникални за меката материя (като вътрешността на клетките), докато не попаднал на работата на ядрения физик Чарлс Хоровиц в университета в Индиана. Използвайки компютърни симулации, Хоровиц и екипът му открили същите форми дълбоко в кората на неутронните звезди.

„Обадих се на Чък и го попитах дали е осведомен, че сме видели тези структури в клетки и сме им създали модел“ – сподели Хубер, представителен директор на Института Кавли по теоретична физика. „Това бе новина за него, така че тогава осъзнах, че може да имаме ползотворно взаимодействие.“

Последвалата колаборация изследва връзката между два много различни модела материя.

Ядрените физици имат подходяща терминология за целия набор от форми, които виждат в техните високо ефективни компютърни симулации на неутронни звезди: ядрена паста. Тя включва тръби (спагети) и паралелни повърхности (лазаня), свързани със спирали, наподобяващи Рампите на Терасаки.

„Те виждат голямо разнообразие от форми, които ние виждаме в клетките“, обяснява Хубер. „Виждаме мрежа от тръби; виждаме отделни пластове. Виждаме пластове, свързани един с друг чрез топологични дефекти, наречени Рампи на Терасаки. Така че съответствията са наистина големи.“

Така или иначе, различия могат да бъдат открити във физиката, на чиито закони се подчиняват двата типа материя. Обикновено материята се характеризира по своята фаза, която зависи от термодинамичните променливи: плътност (или звук), температура и налягане – фактори, които се различават значително на ядрено ниво и в междуклетъчен контекст.

„При неутронните звезди силната ядрена мощ и електромагнитната мощ създават в основата си кванто-механичен проблем“, обяснява Хубер. Във вътрешността на клетките силите, които държат свързани мембраните, са в основата си ентропични и трябва да се справят с намаляването на цялата свободна енергия в системата. На пръв поглед, двата вида материя не биха и могли да бъдат по-различни.“

Другото различие е в размерите. В ядрения случай структурите са базирани на нуклеони, като например протони и неутрони и тези строителни блокове се измерват с фемтометри (1 fm = 10−15 m).  За междуклетъчните мембрани, като ендоплазмения ретикулум, скалата за измерване е нанометър (10-9 m). Съотношението между двете е около милион (10-6) и въпреки това тези коренно различни размери създават еднакви форми.

„Това означава, че има нещо сложно относно това как да моделираме ядрената система, което не разбираме“, казва Хубер. „Когато има плътно събиране на протони и неутрони, както на повърхността на неутронна звезда, силната ядрена мощ и електромагнитните сили действат, за да ни дадат фази на материята, които не можем да предскажем, ако сме гледали как тези сили работят върху малки групи неутрони и протони.“

Подобието на структурите е еднакво завладяващо за теоретичните и за ядрените физици. Ядреният физик Мартин Савидж е бил в Института по теоретична физика, когато се натъкнал на графики от новата статия в arXiv, в който намират място хиляди статии по физика, математика и компютърна наука. Това, което прочел веднага възбудило интереса му.

„Много ме изненада тази подобна фаза на материята, която се появява в биологичните системи“, казва Савидж – професор във Вашингтонския университет. „Очевидно тук има нещо интересно.“

Един от авторите – Хоровиц, също смята, че това е така. „Виждайки толкова подобни форми в поразително различни системи, показва, че енергията на една система може да зависи от нейната форма по прост и универсален начин“, отбелязва той.

Хубер забелязва, че тези подобия са все още твърде мистериозни. „Нашата разработка […] поставя само началото на изследванията на тези два модела.“

Превод: Димитър Радев

Източник: Phys.org

Коментари

коментара