Живая материя нарушает физические законы движения. Израильское исследование

Ученые из Университета Бен-Гуриона показали, что движущиеся бактерии и клетки человека спонтанно нарушают классические законы физического мира.

В классической физике продолговатые объекты при совместном движении выстраиваются подобно жидким кристаллам. В таких потоках неизбежно возникают естественные нарушения структуры – так называемые топологические дефекты, которые внешне напоминают изгибы и узоры отпечатков пальцев. Постепенно эти структуры сталкиваются и взаимно уничтожаются. Теория предсказывала, что пары дефектов должны сближаться и расходиться по прямым линиям, соблюдая строгую симметрию.

Но исследователи установили, что живые системы спонтанно нарушают зеркальную симметрию. Наблюдения за быстрыми бактериями Bacillus subtilis и медленными клетками эпителия дыхательных путей человека показали, что топологические дефекты перемещаются по изогнутым спиральным траекториям, вращаясь по часовой или против часовой стрелки. Работа опубликована в журнале Nature Physics.

Чтобы объяснить это явление, ученые разработали специальную модель. Она учитывает то, что самодвижущиеся клетки расходуют химическое топливо для направленного перемещения. Наложение такого движения на структуру жидкого кристалла создает крутящий момент в самом центре дефекта, заставляя его двигаться по спирали.

"Наши результаты показывают, что способность отдельных клеток к самодвижению кардинально меняет коллективное поведение на более крупных масштабах, – пишут авторы исследования. – Эта работа предлагает новую физическую основу для описания и моделирования самоорганизующих живых сообществ".

Понимание механизмов движения живой материи критически важно для биологии: они объясняют, как бактериальные колонии организуются в устойчивые к лекарствам биопленки и как слои ткани направляют движение клеток для заживления ран.