Каковы существенные физические и химические свойства, которые отличают живые организмы от неживой материи? Это – вопрос, который очаровывал ученых в течение многих веков. Одно из основных отличий между этими двумя классами заключается в том, живя, системы обслужены в неравновесном государстве. Чтобы избежать в других отношениях неизбежного понижения в термодинамическое равновесие, они должны непрерывно расходовать энергию – чтобы привести активные движения в действие и поддержать клетку.
Физик LMU профессор Чейз Броедерсз, в сотрудничестве с исследователями базировался в Геттингене, Амстердам, Массачусетский технологический институт и Йельский университет, теперь разработал метод, который может дифференцироваться между активной особенностью движений живых клеток и теми, которых заставляют случайные молекулярные движения, которые дают начало пассивному распространению. Техника также обеспечивает более глубокое понимание фундаментальных процессов, которые характерны для биологических систем.
Новые результаты появляются в последнем выпуске ведущего журнала Science.«Поразительно, в мире тщательно крошечных частиц, молекулярное движение как таковое не обязательно подразумевает, что каждый имеет дело с термодинамически неравновесным государством или активно стимулируемым процессом. Молекулярные движения могут также следовать из тепло стимулируемой бомбардировки мелких частиц молекулами в окружающей среде», указывает Broederzs. Эти тепловые столкновения с молекулами изменяют траекторию мелких частиц и вызывают тепловое распространение.
На первый взгляд много активно стимулируемых процессов в живых клетках, кажется, одинаково случайны по своей природе. «Таким образом, чтобы понять функции клетки, нужно быть в состоянии отличить их от систем равновесия», говорит Броедерсз.Видео анализ движения органоида
Броедерсз и его коллеги теперь описывают метод, который, впервые, позволяет жить системы, которые будут окончательно и неагрессивно определены, чтобы быть вне равновесия в микроскопических весах. Процедура использует принцип подробного баланса, который указывает, что, в системах, которые достигли равновесия, средняя норма каждого элементарного процесса равна той из его перемены – передовые и обратные реакции эффективно уравновешиваются.
Если этот принцип не держится, система находится по определению в неравновесном государстве и должна вестись входом энергии из внешнего источника. «Наш новый метод полагается на видео систему отображения, которая позволяет нам визуализировать микроскопические движения в режиме реального времени. Получающиеся данные об отображении могут тогда быть проанализированы, чтобы определить, повинуется ли система принципу подробного баланса», говорит Броедерсз.
В исследовании команда проанализировала движения двух типов похожего на волосы выпячивания клетки, составленного из белковых нитей – так называемые кнуты, найденные на одноклеточной зеленой морской водоросли Chlamydomonas reinhardtii и основной реснице, найденной на многих эпителиальных тканях в многоклеточных организмах. Кнуты и основные ресницы весьма схожи в их базовой структуре, но их биологические функции и способы действия отличаются.
Кнуты используются микроорганизмами, чтобы плавать через жидкие СМИ, в то время как основные ресницы действуют, прежде всего, как подвижные датчики на эпителиальных поверхностях. «С помощью наших данных об отображении», говорит Броедерсз, «мы смогли продемонстрировать, что, вместо того, чтобы просто махнуть назад и вперед, и кнуты и ресницы в среднем выполняют циклы активно стимулируемых и отличных движений – и при этом они нарушают принцип подробного баланса».Кроме того, эти два органоида отличаются относительно точного характера движений, которые они показывают: Кнуты периодически бьются, и их движения показывают относительно мало случайной изменчивости. Мерцательные движения, с другой стороны, характеризуются намного более высоким уровнем неисправности. Несмотря на эти различия, однако, исследования показали, что обе системы нарушают принцип подробного баланса.
«Эти результаты представляют интерес не только в контексте биологии, хотя они обеспечивают средство признания неравновесных ситуаций в биологических системах и предоставляют новое понимание сложных процессов, которые делают жизнь возможной», говорит Броедерсз. «Они имеют также большое значение для областей статистической механики и биофизики, потому что они поднимают основные вопросы, касающиеся вопроса того, как активные молекулярные процессы ведут крупномасштабную неравновесную динамику».