Часто физику используют для осмысления мира природы, будь то понимание гравитационных эффектов на приливы океана или использование мощных физических инструментов, таких как микроскопы, для изучения внутреннего строения клетки. Но всё чаще учёные обращаются к биологическим системам, чтобы получить новое понимание физики. Изучая кожу кальмара, исследователи обнаружили первый 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 Института науки и технологий Окинавы (OIST) изучила влияние роста на развитие паттернов в клетках кожи кальмара.🐘
Используя экспериментальные методы визуализации и теоретическое моделирование, учёные получили новое представление о необычном расположении этих клеток и создали общую модель гиперрасстройства, применимую к широкому спектру растущих систем.
Гиперрасстройство возникает в системах, где дисперсия количества точек в определённом измеренном пространстве растёт быстрее, чем объём этого измеренного пространства. По сути, если рассматривать крошечную область, система может показаться довольно упорядоченной, но при просмотре в более крупном масштабе колебания усиливаются.
«В других растущих системах, таких как клетки в глазах цыплят, ранее наблюдалась гиперуниформность, при которой существует дальний порядок и структурирование, несмотря на случайность в близком масштабе», — сказал доктор Роберт Росс, постдокторский исследователь 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 кожи кальмара
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 этого исследования. «Они играют важную роль в маскировке и общении. Поэтому мы были заинтересованы в изучении пространственного расположения и развития паттернов 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 ждём возможности применить нашу модель к другим растущим системам, как биологическим, так и иным. Общий характер этой модели означает, что есть бесконечные возможные научные направления».
Предоставлено Институтом науки и технологий Окинавы.