Біологія

Люди, як рідина Що таке активна матерія та як вона пояснює фізику життя?

NAUKA.UA

Що спільного між зграєю птахів, клітинним скелетом і бігунами марафонів? На перший погляд – нічого. Але це не так. Всі вони є представниками нового типу матерії – активної матерії. Про активну матерію вчені заговорили зовсім нещодавно, але популярність цієї теми зростає надзвичайно стрімкими темпами. Так, згідно з електронною базою даних PubMed, починаючи з 2000-х років, щорічна кількість публікацій пов’язаних з активною матерією зросла у 10 разів, від приблизно 500 публікацій у 1999 році до майже 5000 публікацій у 2019 році. Що ж таке активна, або, як її ще називають, жива матерія?

Для того, щоб називатися активною матерією, “речовина” повинна мати дві властивості. По-перше, вона повинна складатися з елементів, які споживають енергію з навколишнього середовища і завдяки цій енергії виконують певну механічну роботу. Птахи і бігуни марафонів споживають їжу, щоб рухатись, а елементи клітинного скелета використовують молекули АТФ, щоб забезпечити форму і рух клітини. По-друге, рухаючись разом, ці елементи мають формувати систему, яку можна розглядати як єдине ціле. Так, ми спостерігаємо за рухом зграї птахів, яка виконує чудернацькі віражі у небі, чи самі стаємо частинкою активної матерії, коли зранку протискуємося в натовпі до метро.

Фізика живого

Знайти закон, за яким можна було б математично описати поведінку активної матерії в незалежності від того, з чого саме ця матерія складається – ось мрія вчених сьогодні. Цей закон буде чимось схожим на закони фізики, які описують, як рух атомів і молекул призводить до виникнення таких звичних явищ як температура чи тиск. Як саме буде виглядати цей закон, вчені ще не знають, але вже є певні ідеї.

Першим, хто здогадався звідки почати, був вчений із Будапешту Тамаш Вічек. Модель Вічека загальна і може застосовуватися до багатьох систем активної матерії, але я розповім про неї на прикладі зграї птахів. Вічек запропонував зобразити кожного птаха як стрілочку, яка буде вказувати у напрямку польоту птаха. І додав правило: будь-які два птахи, що опинилися поруч, синхронізують свої швидкості, щоб летіти в одному напрямку. Однак, через те, що птахи – це живі істоти, а не спрограмовані механізми, часом можуть виникати збої у взаємній синхронізації. Таким чином, напрямок польоту кожного птаха буде збігатись із середнім напрямком польоту його сусідів, але час від часу можливі помилки. Таке просте правило призводить до цікавих результатів. Якщо птахів всього декілька, то їхній рух буде хаотичним, кожен птах летітиме у своєму напрямку. Але зі збільшенням щільності птахів в повітрі, в кожного птаха з’являтиметься більше сусідів, і відповідно, він буде координувати свій рух із більшою кількістю птахів. А вони, своєю чергою, зі своїми сусідами. Рух пташиної зграї буде ставати більш і більш скерованим.

Цікавим є також і механізм, завдяки якому птахи підтримують сталу відстань між собою3. Ви, напевно, помічали, як на початку осені птахи вишукуються в клиноподібні зграї. Якщо зробити фото чи відео таких зграй, то добре видно, що відстань між птахами завжди приблизно однакова. Більш того, птахи махають крилами синхронно! Виявляється, що така конфігурація зграї енергетично найбільш вигідна для птахів. Річ у тім, що роблячи помах крилами, птах викликає після себе хвилю повітря, так само, як виникає хвиля на воді після плавця. І наступний птах летить саме там, де знаходиться висхідний потік. Таким чином, він витрачає менше енергії, щоб утримувати себе на необхідній висоті. А його синхронний помах крил ще більш підсилює повітряну хвилю для наступного птаха. Це дозволяє птахам заощаджувати енергію і долати такі великі відстані під час міграцій.

Зграя диких гусей. Pikist

Зграя диких гусей. Pikist

В біології прийнято, що якщо вчені-теоретики виводять якийсь закон, то для його підтвердження необхідно провести експеримент. Отже, для того, щоб підтвердити модель Вічека, треба показати експериментально, що будь-які об’єкти, які рухаються і попарно взаємодіють між собою, можуть сформувати “зграю” на кшталт пташиної. Для свого експерименту вчені вирішили використати групу дронів. Вони закупили кілька десятків дронів, що могли обмінюватися своїми GPS-координатами. Правила були прості: дрони, що знаходяться поруч, координують свої швидкості та напрямок, а при наближенні до будь-якої перешкоди, дрони “відштовхуються” від неї. Дронів підняли в повітря і залишили без центрального керування. Модель спрацювала! Дрони не тільки летіли згуртованою “зграєю”, а навіть були в змозі оминати перешкоди на своєму шляху.

Дрони Тамаша Вічека сформували “зграю”, схожу на пташину. ELTE / National Geographic

Дрони Тамаша Вічека сформували “зграю”, схожу на пташину. ELTE / National Geographic

Керувати життям

Модель Вічака стала стартовою точкою для теоретичних, а за ними й експериментальних досліджень активної матерії. Вона дозволила поглянути на вже відомі феномени під іншим кутом. Були створені математичні моделі, здатні передбачати колективну поведінку риб, комах і овець. Але французькі вчені пішли ще далі, і спробували розробити модель, що передбачувала б поведінку людського натовпу! Зазвичай подібні моделі базуються на взаємодії між об’єктами в групі, як то видно на прикладі моделі пташиної зграї, описаної вище. Проте, незважаючи на всі зусилля, науці так і не вдалося сформулювати прості й сталі правила міжлюдської взаємодії. Тож французькі вчені пішли іншим шляхом. Вони помітили, що людський натовп схожий на потік рідини, і спробували його описати за допомогою законів гідродинаміки - розділу фізики, що вивчає рух рідин. Подібний підхід вже показав свою ефективність в описі візерунків, що формують плаваючі бактерії чи клітини в біологічних тканинах. Але до цього часу ще ніхто не наважувався використати знання про рідини для опису таких великих об’єктів як людський натовп.

У якості натовпу для експериментів вчені вибрали бігунів марафону в Чикаго. Вони зробили записи того, як тисячі бігунів наближаються до старту під час марафону. Згідно з правилами марафону, бігуни розділені на групи і збираються перед стартом на обмежених ділянках площею 200х20 метрів. Час від часу бігунів “зміщують” до стартової лінії ланцюжки працівників марафону, що обмежують кожну групу. Це викликає періодичні людські хвилі, що поширюються з дальньої частини ділянки до передньої: чергування руху й зупинок. Такі умови марафону дуже зручні для проведення експерименту, адже дозволяють проводити виміри в ситуації, що багаторазово повторюється: чи для різних груп бігунів, чи навіть в різні роки проведення марафону. Загалом, за два роки в марафоні взяли участь понад 80 тисяч людей. Замість того, щоб стежити за кожним бігуном, вчені розглядали натовп як суцільне ціле. Вони виміряли густину натовпу та створили мапу швидкостей – з якою швидкістю і в якому напрямі рухається натовп в кожній точці простору. Зі здивуванням вчені побачили, що середня густина натовпу була абсолютно однакова на всіх записах, а хвиля руху поширювалася вздовж стартової площадки з однаковою швидкістю. Вимірявши ще ряд показників, вчені склали математичні рівняння, що описували рух натовпу, ніби то був потік води. Вони використали ці рівняння для передбачення поведінки натовпу на двох інших марафонах – в Парижі й Атланті. Теоретичні розрахунки повністю збіглися з реальними вимірами!

Натовп бігунів марафону в Чикаго. N. Bain, D. Bartolo / Science News

Натовп бігунів марафону в Чикаго. N. Bain, D. Bartolo / Science News

Створення таких теоретичних моделей має важливе практичне значення. Адже розуміння, які фактори і як саме впливають на поведінку натовпу, дає можливість заздалегідь керувати натовпом. А це, своєю чергою, допоможе уникнути трагедій, пов’язаних з тиснявою і покращити організацію публічних просторів.

Синтетичне життя

Вивчення активної матерії інтригує вчених не тільки через можливість дізнатися щось нове про життя, а і як джерело натхнення для створення синтетичних матеріалів із властивостями живих.

Так, вчених зацікавив механізм м’язового скорочення. Наші м’язи складаються з довгих і тонких волокон, що називаються актинові волокна. По цих волокнах “крокують” маленькі молекулярні мотори – молекули міозину. Ці молекули здатні приєднуватися одночасно до декількох волокон актину, і рухаючись вздовж них, міозин стягує ці волокна один до одного, що й викликає скорочення м’яза. А що, якби ми могли створювати подібні структури поза живим організмом? Це б дозволило створити матеріали здатні скорочуватися чи змінювати свою форму. Вчені з Німеччини вирішили спробувати реалізувати цю ідею. Вони змішали у пробірці волокна актину з міозином і додали природного “палива” – високоенергетичні молекули АТФ. Отриману суміш вчені розмістили на предметному склі й подивилися під мікроскопом. Коли концентрація актинових волокон і міозину була низькою – нічого особливого не відбувалося. Волокна просто плавали в суміші без жодного видимого порядку. Але щойно вчені збільшили концентрацію, актинові волокна почали формувати візерунки: пульсівні скупчення, завихрення і смужки. Дуже швидко вчені розпізнали в побаченому ті ж самі явища, які описував Вічек у своїй моделі.

Є й інші можливості застосування молекулярних моторів. В клітинах живих організмів молекулярні мотори-роботи використовуються для переміщення речовин всередині клітини. Як вже згаданий вище міозин, вони “крокують” вздовж певних молекул і “тримають в руках” вантаж, який потрібно перенести. Це надихнуло вчених створити штучних роботів, що імітують природних Такий робот розміром всього декілька нанометрів може рухатися вздовж металевої поверхні, збирати з неї окремі компоненти і складати з них молекулу невеликого білка. Це не єдине досягнення у створенні нанороботів. Вчені з різних лабораторій створюють мініатюрні механізми – мотори, пропелери, вимикачі. Понад 50 різних роботів по всьому світу чекають, доки вчені знайдуть спосіб їх поєднати, наче деталі мініатюрного конструктора. Навчитись, як змусити мільйони мікроскопічних механізмів працювати злагоджено, щоб досягти помітного ефекту на макроскопічному рівні – це завдання робототехніки майбутнього.

Іншою спробою застосування знань, отриманих завдяки вивченню активної матерії, є створення штучних тканин на кшталт біологічних. Вчені з Великобританії створили мережу з крапель води, що нагадують своїми властивостями клітини організму. Використовуючи 3D-принтер вчені поєднали ці краплі в желеподібний матеріал, що може самостійно згортатись у клубок, як м’яз, і передавати електричний сигнал, як група нейронів – клітин нервової системи. Вчені сподіваються, що їхні розробки стануть основою для створення синтетичних тканин і органів. “Ми просто хочемо побачити, як далеко можна зайти в імітуванні живих тканин”, – пояснює один з учасників проєкту.

Самозбірна синтетична тканина на основі крапель води. Gabriel Villar et al. / Science, 2013

Самозбірна синтетична тканина на основі крапель води. Gabriel Villar et al. / Science, 2013

Людству доведеться ще досить довго чекати, коли з таких примітивних експериментів вчені зможуть створити щось практично корисне. Активна матерія ще тільки починає розповідати свої секрети. Але вже сам факт виокремлення живої матерії в особливий тип матерії є важливим кроком до розгадки таємниці життя. Врешті-решт, для створення життя на такому досконалому рівні еволюції знадобилися мільйони років!


Автор - аспірант університету Сорбонни в галузі біофізики, випускниця НМУ ім.Богомольця.