Часто физику используют для осмысления мира природы, будь то понимание гравитационных эффектов на приливы и отливы океана или использование мощных физических инструментов, таких как микроскопы, для изучения внутреннего строения клетки. Но всё чаще учёные обращаются к биологическим системам, чтобы найти новые идеи в физике. Изучая кожу кальмаров, исследователи впервые обнаружили биологический пример физического явления, называемого «гиперрасстройством», что позволило по-новому взглянуть на то, как рост может влиять на физику.
Опубликовано в Physical Review X
Междисциплинарная команда из Окинавского института науки и технологий (OIST) изучила влияние роста на развитие узоров в клетках кожи кальмаров. В статье, опубликованном в Physical Review X, исследователи использовали экспериментальные методы визуализации в сочетании с теоретическим моделированием.
Они обнаружили новое понимание необычного расположения этих клеток и создали общую модель гиперрасстройства, применимую к широкому спектру растущих систем.
Гиперрасстройство
Гиперрасстройство возникает в системах, где дисперсия количества точек в определённом измеренном пространстве растёт быстрее, чем объём этого пространства. По сути, когда вы смотрите на крошечную область, система может казаться довольно упорядоченной, но при просмотре в большем масштабе колебания усиливаются.
«В других растущих системах, таких как клетки в глазах цыплят, ранее наблюдалась гиперуниформность, при которой существует дальний порядок и формирование узоров, несмотря на случайность в близком масштабе», — сказал доктор Роберт Росс, научный сотрудник OIST, первый автор этого исследования.
«Это то, что мы ожидали увидеть у кальмара. Но то, что мы фактически наблюдали, было совершенно другим, и мы ещё не видели других примеров такого поведения клеток в биологии. Однако мы думаем, что такой беспорядок очень вероятен в аналогичных растущих системах, что подчёркивает важность роста для физических свойств».
Исследование
В этом исследовании учёные наблюдали за кальмарами в течение 12 недель, используя экспериментальную установку для получения трёхмерных изображений кальмаров и изучения появления специализированных клеток, называемых хроматофорами, на поверхности их кожи.
«Хроматофоры появляются в фиксированных положениях по отношению друг к другу, в определённом порядке», — объяснил профессор Сэм Рейтер, руководитель группы вычислительной нейроэтологии и соавтор исследования. «Они играют важную роль в маскировке и общении. Поэтому мы были заинтересованы в изучении пространственного расположения и развития узора этих клеток».
Чтобы понять физику, лежащую в основе наблюдаемого гиперрасстройства, команда разработала математическую модель, используя твёрдые диски на растущей поверхности для представления поведения кожи кальмара. Несмотря на кажущуюся сложность этой задачи, им удалось разработать очень простую, универсально применимую модель.
Соавтор профессор Симоне Пиголотти, руководитель группы биологической сложности, сказал: «Это исследование иллюстрирует важность роста для физического поведения различных систем и уникальные знания, которые можно получить, изучая междисциплинарные перспективы. Мы с нетерпением ожидаем применения нашей модели к другим растущим системам, как биологическим, так и иным. Общий характер этой модели означает, что существуют бесконечные возможные научные направления».
Предоставлено Окинавским институтом науки и технологий.
Published in Physical Review X, an interdisciplinary team from the Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) studied the effect of growth on pattern development within squid skin cells.”,”By combining experimental imaging methods with theoretical modeling, they found new insights into the unusual arrangement of these cells, and created a general model of hyperdisorder applicable to a wide variety of growing systems.”,”Hyperdisorder occurs in systems where the variance in number of points within a particular measured space grows faster than the volume of that measured space. Essentially, when you’re looking at a tiny area, the system may appear quite ordered, but fluctuations are exacerbated when viewing at a larger scale.”,”\”In other growing systems, such as the cells in chicken eyes, studies have previously seen hyperuniformity, whereby there is long range order and patterning, despite randomness at a close scale,\” said Dr. Robert Ross, OIST Interdisciplinary Postdoctoral Scholar, first author on this study.”,”\”This is what we expected to see in the squid. But what we actually observed was completely different, and we have not yet seen any other instances of this packing behavior in biology. However, we think such disorder is very likely to be present in similar growing systems, highlighting the importance of growth on physical properties.\””,”In this study, the researchers observed squid over 12 weeks, using an experimental rig to capture 3D images of the squid, to study the appearance of specialized cells, called chromatophores, on its skin surface.”,”\”The chromatophores appear at fixed positions in relation to one another, in a specific pattern,\” explained Professor Sam Reiter, head of the Computational Neuroethology Unit and co-author on this study. \”They are essential in camouflage and communication. Therefore, we were interested in studying the spatial arrangement and the pattern development of these cells.\””,”To understand the physics governing the observed hyperdisorder, the team developed a mathematical model, using hard disks on a growing surface to represent the behavior of the squid skin. Despite the apparent complexity of this problem, they were able to devise a very simple, generally-applicable model.”,”Co-author Professor Simone Pigolotti, head of the Biological Complexity Unit, said, \”This study exemplifies the importance of growth on the physical behavior of different systems, and the unique knowledge that can be gained by studying from interdisciplinary perspectives.”,”\”We look forward to applying our model to other growing systems, both biological and beyond. The general nature of this model means there are endless possible scientific directions to take.\””,”\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tOkinawa Institute of Science and Technology Graduate University\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t”,”\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Other Physics Topics\n\t\t\t\t\t\t “]’>Источник