Как «ошибки» в живой ткани запускают регенерацию: биофизики доказали, что форму телу задают геометрические дефекты

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com
| Статья | Наука и космос

При регенерации пресноводной гидры оставшийся после разрезания фрагмент ткани безошибочно выстраивает новую ось тела. Долгое время этот процесс описывали чисто через биохимические сигналы. Однако современные исследования показывают, что форма тела диктуется также законами механики. Главную роль в этом играют топологические дефекты — участки ткани, где нарушается параллельная ориентация структурных элементов, таких как внутриклеточные белковые волокна

До недавнего времени механизмы перемещения этих дефектов были хорошо описаны только для жидких сред. Группа физиков-теоретиков из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре и Принстонского университета опубликовала работу, в которой впервые математически описала, как именно топологические дефекты способны к направленному самодвижению внутри твердых упругих материалов, где физическое течение вещества невозможно.

Регенерация живой клетки, абстрактная интерпретация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com
Структурный порядок и его нарушения

Для понимания сути, необходимо рассмотреть живую ткань не как набор биологических единиц, а как физический материал. Внутри клеток эпителия существуют белковые структуры — волокна актомиозина, которые обеспечивают клеткам их механическую жесткость и способность к сокращению. В плотном клеточном слое эти удлиненные структуры стремятся выстроиться строго параллельно друг другу. В физике такое состояние называется нематическим порядком.

Однако на большой площади поддержать идеальное параллельное выстраивание геометрически невозможно. Из-за локальных напряжений, делений клеток или внешних ограничений в ткани неизбежно возникают зоны, где ориентация волокон резко меняет направление и сталкивается под углом. Точка, в которой параллельный порядок полностью разрушается и математически не может быть определен, называется топологическим дефектом.

Дефекты классифицируются по их топологическому заряду, который описывает, как именно меняется ориентация элементов вокруг центрального искажения. Наибольший интерес для динамики представляют дефекты с зарядом +1/2. Особенность такого искажения заключается в его строгой геометрической асимметрии: с одной стороны волокна огибают центр по плавной дуге, а с другой — сходятся в прямую линию. Эта полярность, наличие четко выраженного направления оси, делает дефект +1/2 способным к самостоятельному перемещению, если среда является физически активной.

(a) Схема взаимодействия между упругостью и структурой ткани. Черные линии показывают направление волокон. Красные и синие стрелки — механические напряжения и возникающие деформации. (b) Неравномерность деформации вокруг дефекта +1/2. Эта разница сил заставляет дефект двигаться самостоятельно (зеленая стрелка), перестраивая ориентацию волокон в его «хвосте». (c) Точка остановки дефекта (r*0). В этом положении сила самодвижения (f+1/2) уравновешена силой отталкивания от границ (fC). График показывает связь между позицией дефекта и активностью ткани: круги — данные моделирования, зеленая линия — математический расчет. (Параметры: R = 16, a = 1, x = 0)
Автор: Fridtjof Brauns et al. Источник: arxiv.org
Парадокс движения без течения жидкости

Свойство среды быть активной означает, что элементы, из которых она состоит, способны самостоятельно потреблять энергию и генерировать механическое напряжение. Клетки постоянно тянут или толкают своих соседей. В активных жидкостях — например, в растворах с плавающими бактериями или изолированными белковыми моторами — движение дефекта +1/2 объясняется законами гидродинамики. Асимметричная форма дефекта приводит к тому, что локальные напряжения создают несбалансированную силу, которая порождает микроскопическое течение жидкости (адвекцию). Дефект захватывается этим потоком и физически переносится в пространстве.

Проблема заключается в том, что клеточный монослой или плотная эпителиальная ткань, такая как эктодерма пресноводной гидры, не является жидкостью. Клетки намертво скреплены друг с другом специализированными контактами (десмосомами). Взаимное смещение клеток происходит крайне медленно и требует значительных усилий. С точки зрения механики такая ткань представляет собой твердый упругий материал — активный эластомер. В твердом теле не может быть течения. Адвекция равна нулю. Возникает физический парадокс: масса материала остается на месте, но данные микроскопии показывают, что топологические дефекты быстро перемещаются сквозь неподвижные клетки.

(a) Разделение пар дефектов: собственная сила самодвижения (зеленая стрелка) становится больше их взаимного притяжения (фиолетовые стрелки). На снимке показан увеличенный фрагмент компьютерной модели. (b) Сравнение теоретического расчета (зеленая линия) и результатов моделирования процесса расхождения дефектов в зависимости от их начального расстояния. (Параметры: x = 0, Lx = 500, Ly = 200. Граничные условия: sigma_ri|r=R = 0)
Автор: Fridtjof Brauns et al. Источник: arxiv.org
Механизм смещения через локальную перестройку

Разрешая этот парадокс, исследователи предложили минимальную модель эласто-нематического листа. Они доказали, что в твердой среде перемещается не физическое вещество, а само геометрическое состояние искажения. Этот процесс происходит за счет неразрывной связи между внутренним механическим напряжением ткани и ориентацией её структурных элементов.

Физики выделили два параллельных механизма, обеспечивающих это движение. Оба механизма опираются на стремление физической системы к минимизации свободной энергии, но используют разные типы деформации.

Первый механизм основан на изменении степени упорядоченности. Активное напряжение, генерируемое клетками, создает градиент деформации. Если клетки контрактильны (стремятся сжаться), то перед асимметричным дефектом ткань локально растягивается, а позади него — сильно сжимается. Модель показывает, что при однородном сжатии параллельный порядок волокон энергетически невыгоден и начинает разрушаться. Зона позади дефекта переходит в неупорядоченное (изотропное) состояние. Поскольку сам дефект представляет собой точку нулевого порядка, энергетический баланс системы смещается. Минимум свободной энергии теперь находится в зоне разрушенного порядка, и математический центр дефекта сдвигается туда. По мере продвижения центра искажения, ткань, оставшаяся впереди, избавляется от избыточного напряжения и восстанавливает параллельную структуру волокон.

Второй механизм работает через выравнивание деформаций. В этом случае учитывается, что активное напряжение может создавать сдвиговые деформации в материале. Из-за асимметрии дефекта +1/2 эти сдвиговые силы имеют разные знаки в передней и задней частях искажения. Волокна стремятся выстроиться вдоль оси сдвига, что создает разницу энергий между полюсами дефекта и формирует постоянную толкающую силу, заставляющую структурное нарушение двигаться вперед.

В обоих сценариях клетки практически не меняют своего физического положения. Меняется лишь угол ориентации их внутренних белковых структур. Дефект движется сквозь материал подобно звуковой волне, которая передает возмущение через среду, не перенося при этом сами частицы среды.

(a, b) Фазовые диаграммы, показывающие установившееся расстояние между дефектами (a) и «угол закрутки» (b) для пары дефектов +1/2 внутри круглого домена. Области в верхнем левом и нижнем правом углах (где ψ > 0 и d > 0 ) соответствуют режимам, в которых дефекты вращаются друг вокруг друга. Пунктирные серые линии ограничивают область стабильности одиночного дефекта +1. Белая штрихпунктирная линия на графике (a) обозначает теоретический порог стабильности. В черной области графика (a) изначально разделенные дефекты +1/2 сливаются в один дефект +1. Выше расположена область бистабильности, где дефекты либо отталкиваются, либо сливаются в зависимости от начального расстояния. Красные штриховые линии — прогноз начала формирования спиралей. (c) Характерные снимки моделирования для точек (i-iv) на диаграмме. В спиральном режиме дефекты вращаются вокруг центра домена [показано зелеными стрелками на снимке (i)]. (Радиус домена R = 16. Граничные условия: свободные, sigma_ri|r=R = 0)
Автор: Fridtjof Brauns et al. Источник: arxiv.org
Разделение пар и стабильность в ограниченном пространстве

Понимание механики самодвижения позволяет объяснить более сложные тканевые процессы. В обычной пассивной физической системе дефекты с противоположными зарядами (например, +1/2 и -1/2) всегда притягиваются друг к другу за счет упругих сил среды и сливаются, чтобы восстановить идеальный порядок материала.

Однако в активной среде, где дефект +1/2 генерирует собственную движущую силу, возникает противоборство. Если уровень активного клеточного напряжения достигает критической отметки, сила пространственного самодвижения превышает силу упругого притяжения. Дефект +1/2 преодолевает сопротивление среды и удаляется от симметричного и неподвижного дефекта -1/2. Это явление разделения зарядов объясняет, почему в живых тканях постоянно поддерживается высокий уровень структурной сложности, и они не переходят в стазис.

Кроме того, физики смоделировали поведение таких дефектов в замкнутых пространствах — например, если ткань зафиксирована в форме круга. Ограничивающие границы накладывают жесткие условия на ориентацию волокон по краям. Расчеты показали, что активная динамика в таких условиях порождает несколько четких структурных состояний.

При средних значениях активного напряжения пара дефектов +1/2 начинает непрерывно двигаться вдоль внешних границ круга, образуя вращающуюся спираль. Это движение спонтанно нарушает хиральную симметрию системы — структура приобретает строго определенное направление закручивания, несмотря на то, что изначальные условия были абсолютно симметричными.

При высоких значениях активного напряжения движущая сила заставляет дефекты +1/2 преодолеть взаимное отталкивание и сместиться точно в центр ограниченной области. Там они принудительно сливаются, формируя единый дефект с зарядом +1. Геометрически он выглядит как расходящиеся лучи звезды или концентрический водоворот. До появления этой работы в физике жидких кристаллов считалось, что дефект +1 крайне нестабилен и может существовать только в том случае, если размер ограничивающей области сопоставим с размером самого геометрического искажения (на уровне нескольких нанометров). Новые расчеты доказывают, что активная среда способна самостоятельно удерживать стабильность дефекта +1 даже на макроскопических масштабах за счет накопленного внутреннего напряжения ткани.

Фундаментальные и прикладные перспективы

Опубликованная теоретическая модель решает один из главных парадоксов биофизики. В ходе экспериментов с клеточными культурами исследователи часто фиксировали картину, характерную для экстенсильных (расширяющихся) напряжений: дефекты двигались так, словно ткань расталкивает сама себя. При этом измерения показывали, что на уровне отдельных клеток преобладают контрактильные (сжимающие) силы. Доказательство того, что движение дефекта обусловлено локальным перестроением волокон, а не физическим давлением массы, позволяет полностью согласовать эти противоречивые данные без введения дополнительных гипотез о внезапной смене клеточного поведения.

В долгосрочной перспективе эта физическая модель открывает новые направления в материаловедении и разработке программируемых полимеров. Жидкокристаллические эластомеры, синтезируемые в лабораториях, способны реагировать на химические стимулы, тепло или свет, меняя свою геометрию. Интеграция концепции активных топологических дефектов в разработку таких материалов позволит создавать структуры, которые смогут самостоятельно трансформировать свою форму, пульсировать или выполнять механическую работу без внешних двигателей и систем управления. Инструкция для движения будет прописана на уровне базовой топологии самого материала.

Источник: arXiv

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Инопланетяне могут отправлять сигналы прямо сейчас: почему радиоастрономия Земли физически не способна распознать техносигнатуры

Поиск внеземного разума (SETI) на протяжении более чем шестидесяти лет строится на предпосылке о том, что технологически развитая цивилизация, желающая заявить о своем существовании, будет...

Обзор полезного инструмента для снятия заусенцев: твердосплавный риммер для 3D печатника

Выбрал гратосниматель (риммер) в качестве инструмента для финишной обработки 3D печатных изделий. Это удобный и компактный инструмент в виде ручки со сменными твердосплавными насадками,...

Обзор наушников TRN Whale Shark: экспрессия, драйв и баланс во всём

Под термином гибридные наушники многие сейчас понимают связку из динамика, одного или нескольких арматурных излучателей и, возможно, планара или микропланара по вкусу. Бывают однако и решения по...

Обновление iOS 26.3.1 от Apple: причины выпуска и стоит ли обновляться

В начале марта 2026 года компания Apple представила обновление операционной системы iOS под номером 26.3.1 для устройств iPhone, а также аналогичную версию для macOS. Хотя анонс произошел без...

Стоит ли собирать игровой ПК на DDR4 в 2026 году

Цены на оперативную память продолжают лететь вверх, ставя всё новые рекорды. Если ещё пару месяцев назад за планку памяти в 32 ГБ стандарта DDR5 просили чуть меньше 20 000 рублей, то сегодня её...

Обзор корпуса Azza Hive – сколько пространства внутри и удобно ли собирать систему

Корпус нередко определяет не только внешний вид компьютера, но и то, насколько удобно собирать систему и обслуживать ее в дальнейшем. В этом обзоре я рассмотрю AZZA Hive — ATX-корпус с...