В журнале Nature Physics опубликовано исследование, доказавшее существование универсальной конформной инвариантности в коллективном движении живых клеток. Команда учёных, среди которых доцент Копенгагенского университета Амин Дустмохаммади, обнаружила: группы клеток, несмотря на эволюционные различия, демонстрируют идентичные статистические вихревые структуры, подчиняющиеся единым математическим законам.
«Когда клетки движутся коллективно, их поведение напоминает водовороты в воде, — отмечает Амин Дустмохаммади. — Мы нашли скрытую симметрию, которая одинакова для столь разных типов клеток».
Коллективное поведение возникает из взаимодействия и движения отдельных элементов системы. Обычно такие свойства сильно различаются между разными системами, что затрудняет поиск универсальных принципов. Ранее универсальные закономерности удалось выявить в неорганических системах около критических точек — например, в металлах или сплавах. Для описания таких явлений в физике применяют конформную теорию поля (CFT), которая изучает системы, обладающие инвариантностью к масштабированию и сохранению углов, особенно в фазовых переходах.
Учёные вдохновились вопросом: существуют ли схожие универсальные законы для самоорганизации живых клеток? Для проверки гипотезы были изучены четыре принципиально разные системы: дикий и мутантный штаммы бактерии Pseudomonas aeruginosa, эпителиальные клетки Madin-Darby Canine Kidney (MDCK) и агрессивные клетки рака молочной железы человека. Две системы представляли прокариоты (бактерии), две — эукариоты (животные клетки), с разными механизмами движения и биологическими свойствами.
В каждой системе формировали монослои клеток, фиксировали их перемещения с помощью высокоточного видеонаблюдения и рассчитывали поля скоростей, особое внимание уделяя локальной вращательности. Границы между областями с разной направленностью вихрей анализировали с применением теории Шрамма-Лёвнера (SLE), традиционно используемой для описания конформно-инвариантных кривых в задачах физики — перколяции, магнетизма и квантовой гравитации. Ключевой параметр — κ (каппа) — характеризует универсальный класс поведения.
Для всех четырёх систем определили одинаковое значение κ = 6, что соответствует перколяционному универсальному классу — модели прохождения через пористую среду. Это указывает на существование фундаментального универсального закона организации живой материи, который одинаково проявляется и у бактерий, и у человеческих клеток, несмотря на различие в строении и эволюционное расстояние.
Исследование объединяет биологию, математику и физику, показывая: даже находясь далеко от равновесия и постоянно потребляя энергию, живые системы демонстрируют универсальные свойства, известные ранее только для равновесных физических процессов. Как подчёркивает Дустмохаммади, понимание этих универсальных закономерностей может привести к новым подходам в изучении рака, заживлении ран и развитии тканей, а также в синтетической биологии и регенеративной медицине. Биологические системы впервые становятся экспериментальной платформой для проверки предсказаний конформной теории поля, которая до этого существовала лишь в теории и на численных моделях.
Изображение носит иллюстративный характер
«Когда клетки движутся коллективно, их поведение напоминает водовороты в воде, — отмечает Амин Дустмохаммади. — Мы нашли скрытую симметрию, которая одинакова для столь разных типов клеток».
Коллективное поведение возникает из взаимодействия и движения отдельных элементов системы. Обычно такие свойства сильно различаются между разными системами, что затрудняет поиск универсальных принципов. Ранее универсальные закономерности удалось выявить в неорганических системах около критических точек — например, в металлах или сплавах. Для описания таких явлений в физике применяют конформную теорию поля (CFT), которая изучает системы, обладающие инвариантностью к масштабированию и сохранению углов, особенно в фазовых переходах.
Учёные вдохновились вопросом: существуют ли схожие универсальные законы для самоорганизации живых клеток? Для проверки гипотезы были изучены четыре принципиально разные системы: дикий и мутантный штаммы бактерии Pseudomonas aeruginosa, эпителиальные клетки Madin-Darby Canine Kidney (MDCK) и агрессивные клетки рака молочной железы человека. Две системы представляли прокариоты (бактерии), две — эукариоты (животные клетки), с разными механизмами движения и биологическими свойствами.
В каждой системе формировали монослои клеток, фиксировали их перемещения с помощью высокоточного видеонаблюдения и рассчитывали поля скоростей, особое внимание уделяя локальной вращательности. Границы между областями с разной направленностью вихрей анализировали с применением теории Шрамма-Лёвнера (SLE), традиционно используемой для описания конформно-инвариантных кривых в задачах физики — перколяции, магнетизма и квантовой гравитации. Ключевой параметр — κ (каппа) — характеризует универсальный класс поведения.
Для всех четырёх систем определили одинаковое значение κ = 6, что соответствует перколяционному универсальному классу — модели прохождения через пористую среду. Это указывает на существование фундаментального универсального закона организации живой материи, который одинаково проявляется и у бактерий, и у человеческих клеток, несмотря на различие в строении и эволюционное расстояние.
Исследование объединяет биологию, математику и физику, показывая: даже находясь далеко от равновесия и постоянно потребляя энергию, живые системы демонстрируют универсальные свойства, известные ранее только для равновесных физических процессов. Как подчёркивает Дустмохаммади, понимание этих универсальных закономерностей может привести к новым подходам в изучении рака, заживлении ран и развитии тканей, а также в синтетической биологии и регенеративной медицине. Биологические системы впервые становятся экспериментальной платформой для проверки предсказаний конформной теории поля, которая до этого существовала лишь в теории и на численных моделях.
