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描述生物体组织的新模型可能导致对生物过程更好西子小小徐湘涵的理解

物理学 2022-05-14 23:59:05

马克斯·普朗克学会 两种类型的粒子(红色和绿色)相互作用

虽然同一类型的粒子不可避免地会经历相互吸引或排斥,但不同类型的粒子可以非相互作用

这里绿色粒子追逐红色粒子

在大范围内,高度压缩的绿色粒子带追赶红色粒子带

这在系统中创造了秩序和运动

信用:MPIDS / Novak,萨哈,阿古多-卡纳莱霍,戈列斯坦 乍一看,一群狼和调味汁没什么关系

然而,由马克斯·普朗克动力学和自组织研究所所长拉明·戈勒斯坦尼安领导的团队已经开发出一个模型,该模型建立了捕食者和猎物的运动与醋和油的分离之间的联系

他们扩展了一个理论框架,直到现在,这个理论框架只对无生命的物质有效

除了掠食者和猎物,其他生命系统,如酶或自组织细胞,现在可以描述

乍一看,秩序并不总是显而易见的

如果你和一群猎鹿的狼一起跑,动作会显得紊乱

然而,如果从鸟瞰的角度观察狩猎,并且观察时间较长,动物的运动模式就会变得明显

在物理学中,这样的行为被认为是有序的

但是这个顺序是怎么出现的呢?拉明·戈勒斯坦尼亚大学的生物物理系致力于解决这个问题,并研究支配生物或活动系统运动的物理规则

Golestanian的目标是揭示活跃的生物物质的普遍特征

这不仅包括大型生物如捕食者和猎物,还包括细菌、酶和运动蛋白以及人工系统如微型机器人

“当我们在很远的距离和很长的时间内描述一组这样的活跃系统时,系统的具体细节就失去了重要性

它们在空间中的总体分布最终成为决定性的特征,”戈列斯坦解释道

从无生命到有生命的系统 他在哥廷根的团队最近在描述生物方面取得了突破

为了实现这一点,萨哈、阿古多-卡纳莱霍和拉明·戈列斯坦从无生命物质行为的著名描述开始,并对其进行了扩展

要点是要考虑到生物和非生物之间的根本区别

与无生命的被动物质相反,有生命的主动物质可以自行运动

物理学家使用卡恩-希利亚德方程来描述无生命的混合物,如油和水的乳状液是如何分离的

20世纪50年代发展起来的表征被认为是相分离的标准模型

它基于互惠原则:以牙还牙

因此,油排斥水,就像水排斥油一样

然而,对于生命物质或活动系统来说,情况并非总是如此

捕食者追逐它的猎物,而猎物试图逃离捕食者

直到最近才证明存在非互易性(即

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主动)行为,即使在最小系统如酶的运动中

因此,酶可以特别集中在单个细胞区域——这是许多生物过程所必需的

在这一发现之后,哥廷根的研究人员调查了不同酶的大量积累是如何进行的

他们会混合在一起还是组成小组?会出现新的和不可预见的特征吗?为了回答这些问题,研究小组开始工作

突然出现波浪 第一个任务是修正卡恩-希利亚德方程,使其包含非互易相互作用

因为该方程描述了非生命系统,被动相互作用的互易性深深嵌入其结构中

因此,它描述的每个过程都以热力学平衡结束

换句话说,所有的参与者最终都进入了休息状态

然而,生命发生在热力学平衡之外

这是因为生命系统不是静止不动的,而是利用能量来实现某个目标

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他们自己的繁殖)

Suropriya Saha和她的同事将这一行为考虑在内,通过一个描述非互惠活动的参数扩展了Cahn-Hilliard方程

通过这种方式,他们现在还可以描述在任何程度上不同于被动过程的过程

萨哈和她的同事使用计算机模拟来研究引入的修改的效果

萨哈说:“令人惊讶的是,即使是最小的非互易性也会导致被动系统行为的根本偏离。”

例如,研究人员观察到两种不同类型粒子混合物中行波的形成

在这种现象中,一种成分的条带追随着另一种成分的条带,从而产生移动条纹的图案

此外,复杂的晶格可以在粒子混合物中形成,其中一种成分的小簇追逐另一种成分的基团

通过他们的工作,研究人员希望为物理学和生物学的科学进步做出贡献

例如,新模型可以描述和预测不同细胞、细菌或酶的行为

“我们用这种模式教会了一只老狗新的技巧,”戈列斯坦人说

“我们的研究表明,物理学有助于我们对生物学的理解,研究生物物质带来的挑战为物理学的基础研究开辟了新的途径

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