Життя сповнене сюрпризів, особливо якщо зазирнути в мікроскоп. Ми звикли думати про клітини як про крихітні біологічні автомати, кожна зі своєю програмою. Але що відбувається, коли вони збираються разом? Недавнє дослідження відкрило воістину вражаючу таємницю: чи то скромні бактерії, що об’єднуються в колонії, чи складні клітини тварин, що працюють спільно в тканині, їх колективний танець підпорядковується одним і тим же фундаментальним закономірностям. Наче вони всі таємно говорять однією мовою — мовою, запозиченою не з підручників біології, а зі світу теоретичної фізики! Цей прихований універсальний ритм пов’язує форми життя, розділені мільярдами років еволюції, оскільки ніхто і очікував.
Нещодавно група вчених з Копенгагенського університету та інших інститутів зробила відкриття, яке, чесно кажучи, змушує по-новому поглянути на організацію живої матерії. Результати їхньої роботи опубліковані в престижному журналі Nature Physics, і вони справді вражають.
А що, власне, знайшли?
Уявіть собі: дослідники взяли кілька абсолютно різних клітинних культур. Тут були і спритні бактерії Pseudomonas aeruginosa (причому як звичайні, так і мутантні штами), і клітини нирки собаки (лінія MDCK, що часто використовується в лабораторіях), і навіть клітини людського походження, що беруть участь у формуванні тканин. Загалом, досить строката компанія з мікросвіту.
Вони помістили ці клітини тонким шаром на поверхню і почали спостерігати, як рухаються. А клітки, знаєте, рідко сидять на місці, особливо коли їх багато. Вони повзуть, штовхаються, утворюючи складні візерунки, що постійно змінюються. Щось на кшталт дуже повільного, але чарівного танцю натовпу.
Вчені помітили, що в цьому клітинному «броунівському русі» виникають вихори, схожі на крихітні вири. Як пояснив один з авторів, доктор Амін Дустмохаммаді: «Коли ви розмішуєте воду в чашці, з’являються і зникають вири. Щось схоже відбувається, коли бактерії чи клітини людини рухаються разом».
Прихована симетрія, чи привіт зі світу фізики!
Дослідники вирішили проаналізувати ці «клітинні вири» за допомогою досить хитрого математичного апарату. Їх цікавили не так самі вихори, як межі між ними — області, де напрямок обертання змінюється. І ось тут і вилізла на світ божий так звана конформна інваріантність.
Звучить складно? Спробую пояснити на пальцях. Уявіть, що у вас є візерунок цих клітинних вихорів.
Така симетрія добре відома у фізиці, особливо теоретично фазових переходів (коли вода замерзає чи кипить, наприклад) і описується конформної теорією поля (КТП). Але знайти її в живих клітинах, що активно рухаються і споживають енергію, — це було дійсно несподівано! Зазвичай такі красиві універсальні закони знаходять у системах, близьких до рівноваги, а живі клітини – це системи, які від рівноваги дуже далекі.
Магічне число 6 і до чого тут вода у камені
Щоб кількісно описати цю симетрію, вчені використали математичний інструмент під назвою еволюція Шрама-Левнера (SLE). Не будемо вдаватися в нетрі, але суть у тому, що SLE дозволяє характеризувати такі складні, звивисті межі одним числом параметром κ (каппа). І що ви вважаєте? Для всіх чотирьох (!) абсолютно різних клітинних систем – від бактерій до людських клітин – цей параметр виявився рівним … шести! Одне й те число для всіх.
А тепер вишенька на торті. Значення κ=6 у фізиці відповідає так званому класу універсальності перколяції. Перколяція – це процес протікання, наприклад, як вода просочується крізь пористий камінь або як вогонь поширюється лісом. Тобто, статистичні закони, що керують рухом кордонів між клітинними вихорами у бактерій та людських клітин, виявилися такими ж, як у води, що тече через гірську породу!
Просто вдумайтесь у це на секунду. Різні механізми руху, різна біологія, різні масштаби — а базовий принцип організації колективного руху той самий.
Чому так важливо?
Ну, по-перше, це просто гарно. Виявлення таких глибоких, універсальних законів у природі завжди захоплює дух. Це говорить про те, що за хаосом життя, що здається, ховається строга математична гармонія.
По-друге, це відкриття – справжній міст між біологією та фундаментальною фізикою. Воно показує, що потужні математичні концепції, розроблені для опису неживої матерії, можна застосувати і до найскладніших живих систем.
Щобільше, ці знання можуть підштовхнути розвиток синтетичної біології (створення штучних живих систем) та регенеративної медицини (вирощування тканин та органів). І ще один цікавий момент: живі клітини тепер можна розглядати як свого роду «живі лабораторії» для перевірки передбачень конформної теорії поля, які раніше були доступні лише для комп’ютерних симуляцій.
Що далі?
Звісно, це лише початок шляху. Вченим належить з’ясувати, чому саме цей клас універсальності (перколяція) проявляється у клітинних колективах, і які саме мінімальні клітинні взаємодії призводять до такого результату. Але вже зараз ясно: ми стали свідками дивовижного відкриття, яке показує, що навіть на фундаментальному рівні життя прагне порядку та універсальності, поєднуючи у своєму танці і просту бактерію, і складну клітину людини. Вражаюче, чи не так?