Биофизики обнаружили общие закономерности в групповом движении клеток, одинаковых у бактерий, животных и человека. Клетки проявляют скрытую симметрию, которую называют конформной инвариантностью, в своих вихревых узорах. Это открытие свидетельствует о существовании универсальных физических законов, определяющих живую материю.
Движение клеток в совокупности играет важную роль во многих биологических процессах, начиная с заживления ран и заканчивая метастазированием рака. До недавнего времени считалось, что такое движение обусловлено уникальными свойствами отдельных клеток: их формой, способом передвижения, взаимодействием.
В физике универсальные закономерности изучают с помощью конформной теории поля. Её применяют для описания систем, где свойства сохраняются при масштабировании, растяжении или повороте — например, фазовые переходы в металлах. В биологии подобные принципы не удавалось обнаружить. Новая научная работа, опубликованная в журнале… Nature PhysicsВпервые продемонстрировали, что живые клетки ведут себя подобно неживой материи при достижении критических состояний.
Ученые из Копенгагенского университета (Дания) проанализировали Движение четырёх видов клеток: нетронутых и измененных бактерий. Pseudomonas aeruginosaКлетки почки собаки и агрессивные клетки рака груди человека, имея разную эволюционную историю и механизмы движения, создавали схожие вихревые структуры.
Наблюдения проводились при помощи высокоскоростной микроскопии. Снимки преобразовывали в карты скоростей, после чего вычисляли завихренность как показатель локального вращения. Математически анализировали границы между зонами с разным направлением вращения (нулевая завихренность).
Анализ данных выявил удивительное сходство в структуре вихревых потоков во всех четырех системах. Границы между зонами с разным направлением вращения обладали конформной инвариантностью — их статистические свойства оставались неизменными при масштабировании, растяжении или других преобразованиях, сохраняющих углы. Два независимых метода подтвердили это. фрактальной размерности и проверка соответствия эволюции Шрамма — Лёвнера.
Размерность границ фрактала равна 7/4, что согласуется с предсказаниями для конформно-инвариантных кривых. В модели эволюции параметр κ равен шести, что соответствует классу перколяции, описывающему проницаемость частиц или жидкости через случайную среду. Ранее этот класс наблюдали только в неживых системах, например при изучении фазовых переходов в металлах.
Для устранения случайности исследователи разработали упрощенную математическую модель коллективного движения. Модель воспроизвела идентичные закономерности: фрактальную размерность 7/4 и параметр κ=6. Это показало, что универсальность возникает из общих принципов самоорганизации, а не специфики отдельных клеток.
Открытие меняет представление о самоорганизации живых систем. Даже клетки, удаленные в эволюционном плане друг от друга, подчиняются общим физическим законам. Это упростит моделирование процессов, таких как рост тканей или распространение опухолей. Кроме того, биологические системы теперь можно использовать для проверки предсказаний теоретической физики — к примеру, в исследованиях квантовой гравитации.