Вчені почали вивчати активну матерію нещодавно, проте ця тема набуває все більшої популярності. За даними PubMed, кількість публікацій про активну матерію зросла у 10 разів з 500 в 1999 році до майже 5000 в 2019 році. Активна матерія – це речовина, яка складається з елементів, які використовують енергію з навколишнього середовища, щоб виконувати механічну роботу, і вони формують систему, яку можна розглядати як єдине ціле. Птахи, бігуни марафонів та елементи клітинного скелета – це приклади активної матерії, а також люди, які змушені рухатись в натовпі.
Фізика живого
Знайти закон, за яким можна було б математично описати поведінку активної матерії в незалежності від того, з чого саме ця матерія складається – ось мрія вчених сьогодні. Цей закон буде чимось схожим на закони фізики, які описують, як рух атомів і молекул призводить до виникнення таких звичних явищ як температура чи тиск. Як саме буде виглядати цей закон, вчені ще не знають, але вже є певні ідеї.
Вчений Тамаш Вічек з Будапешту запропонував модель для опису руху зграї птахів, в якій кожен птах представлений як стрілочка, що показує його напрямок польоту. Згідно з правилом, яке він встановив, якщо два птахи опиняються поруч, вони синхронізують свої швидкості, щоб летіти в одному напрямку. Однак, через живу природу птахів, іноді можуть виникати збої у взаємній синхронізації. Це призводить до того, що кожен птах летить в середньому напрямку його сусідів, але з інтервалами помилок. Рух зграї стає більш скерованим зі збільшенням щільності птахів в повітрі, оскільки кожен птах збільшує кількість сусідів, з якими координує свій рух.
Цікавим є також і механізм, завдяки якому птахи підтримують сталу відстань між собою3. Ви, напевно, помічали, як на початку осені птахи вишукуються в клиноподібні зграї. Якщо зробити фото чи відео таких зграй, то добре видно, що відстань між птахами завжди приблизно однакова. Більш того, птахи махають крилами синхронно! Виявляється, що така конфігурація зграї енергетично найбільш вигідна для птахів. Річ у тім, що роблячи помах крилами, птах викликає після себе хвилю повітря, так само, як виникає хвиля на воді після плавця. І наступний птах летить саме там, де знаходиться висхідний потік. Таким чином, він витрачає менше енергії, щоб утримувати себе на необхідній висоті. А його синхронний помах крил ще більш підсилює повітряну хвилю для наступного птаха. Це дозволяє птахам заощаджувати енергію і долати такі великі відстані під час міграцій.
Зграя диких гусей. Pikist
В біології прийнято, що якщо вчені-теоретики виводять якийсь закон, то для його підтвердження необхідно провести експеримент. Отже, для того, щоб підтвердити модель Вічека, треба показати експериментально, що будь-які об’єкти, які рухаються і попарно взаємодіють між собою, можуть сформувати “зграю” на кшталт пташиної. Для свого експерименту вчені вирішили використати групу дронів. Вони закупили кілька десятків дронів, що могли обмінюватися своїми GPS-координатами. Правила були прості: дрони, що знаходяться поруч, координують свої швидкості та напрямок, а при наближенні до будь-якої перешкоди, дрони “відштовхуються” від неї. Дронів підняли в повітря і залишили без центрального керування. Модель спрацювала! Дрони не тільки летіли згуртованою “зграєю”, а навіть були в змозі оминати перешкоди на своєму шляху.
Дрони Тамаша Вічека сформували “зграю”, схожу на пташину. ELTE / National Geographic
Керувати життям
Модель Вічака стала стартовою точкою для теоретичних, а за ними й експериментальних досліджень активної матерії. Вона дозволила поглянути на вже відомі феномени під іншим кутом. Були створені математичні моделі, здатні передбачати колективну поведінку риб, комах і овець. Але французькі вчені пішли ще далі, і спробували розробити модель, що передбачувала б поведінку людського натовпу! Зазвичай подібні моделі базуються на взаємодії між об’єктами в групі, як то видно на прикладі моделі пташиної зграї, описаної вище. Проте, незважаючи на всі зусилля, науці так і не вдалося сформулювати прості й сталі правила міжлюдської взаємодії. Тож французькі вчені пішли іншим шляхом. Вони помітили, що людський натовп схожий на потік рідини, і спробували його описати за допомогою законів гідродинаміки – розділу фізики, що вивчає рух рідин. Подібний підхід вже показав свою ефективність в описі візерунків, що формують плаваючі бактерії чи клітини в біологічних тканинах. Але до цього часу ще ніхто не наважувався використати знання про рідини для опису таких великих об’єктів як людський натовп.
Вчені провели експеримент на бігунах марафону в Чикаго, спостерігаючи за тим, як тисячі бігунів готуються до старту. Бігуни розділені на групи і збираються на площадках перед стартом, що спричинює періодичні людські хвилі. Вчені вимірили густину натовпу та створили мапу швидкостей, щоб вивчити поведінку натовпу. З їхніх досліджень випливає, що середня густина натовпу була однакова на всіх записах, а хвилі руху поширювалися з однаковою швидкістю вздовж стартової площадки. Вчені склали математичні рівняння для опису руху натовпу і використали їх, щоб передбачити поведінку натовпу на інших марафонах у Парижі і Атланті. Результати їхніх теоретичних розрахунків повністю збіглися з реальними вимірами.
Натовп бігунів марафону в Чикаго. N. Bain, D. Bartolo / Science News
Створення таких теоретичних моделей має важливе практичне значення. Адже розуміння, які фактори і як саме впливають на поведінку натовпу, дає можливість заздалегідь керувати натовпом. А це, своєю чергою, допоможе уникнути трагедій, пов’язаних з тиснявою і покращити організацію публічних просторів.
Синтетичне життя
Вивчення активної матерії інтригує вчених не тільки через можливість дізнатися щось нове про життя, а і як джерело натхнення для створення синтетичних матеріалів із властивостями живих.
Так, вчених зацікавив механізм м’язового скорочення. Наші м’язи складаються з довгих і тонких волокон, що називаються актинові волокна. По цих волокнах “крокують” маленькі молекулярні мотори – молекули міозину. Ці молекули здатні приєднуватися одночасно до декількох волокон актину, і рухаючись вздовж них, міозин стягує ці волокна один до одного, що й викликає скорочення м’яза. А що, якби ми могли створювати подібні структури поза живим організмом? Це б дозволило створити матеріали здатні скорочуватися чи змінювати свою форму. Вчені з Німеччини вирішили спробувати реалізувати цю ідею. Вони змішали у пробірці волокна актину з міозином і додали природного “палива” – високоенергетичні молекули АТФ. Отриману суміш вчені розмістили на предметному склі й подивилися під мікроскопом. Коли концентрація актинових волокон і міозину була низькою – нічого особливого не відбувалося. Волокна просто плавали в суміші без жодного видимого порядку. Але щойно вчені збільшили концентрацію, актинові волокна почали формувати візерунки: пульсівні скупчення, завихрення і смужки. Дуже швидко вчені розпізнали в побаченому ті ж самі явища, які описував Вічек у своїй моделі.
Є й інші можливості застосування молекулярних моторів. В клітинах живих організмів молекулярні мотори-роботи використовуються для переміщення речовин всередині клітини. Як вже згаданий вище міозин, вони “крокують” вздовж певних молекул і “тримають в руках” вантаж, який потрібно перенести. Це надихнуло вчених створити штучних роботів, що імітують природних Такий робот розміром всього декілька нанометрів може рухатися вздовж металевої поверхні, збирати з неї окремі компоненти і складати з них молекулу невеликого білка. Це не єдине досягнення у створенні нанороботів. Вчені з різних лабораторій створюють мініатюрні механізми – мотори, пропелери, вимикачі. Понад 50 різних роботів по всьому світу чекають, доки вчені знайдуть спосіб їх поєднати, наче деталі мініатюрного конструктора. Навчитись, як змусити мільйони мікроскопічних механізмів працювати злагоджено, щоб досягти помітного ефекту на макроскопічному рівні – це завдання робототехніки майбутнього.
Іншою спробою застосування знань, отриманих завдяки вивченню активної матерії, є створення штучних тканин на кшталт біологічних. Вчені з Великобританії створили мережу з крапель води, що нагадують своїми властивостями клітини організму. Використовуючи 3D-принтер вчені поєднали ці краплі в желеподібний матеріал, що може самостійно згортатись у клубок, як м’яз, і передавати електричний сигнал, як група нейронів – клітин нервової системи. Вчені сподіваються, що їхні розробки стануть основою для створення синтетичних тканин і органів. “Ми просто хочемо побачити, як далеко можна зайти в імітуванні живих тканин”, – пояснює один з учасників проєкту.
Самозбірна синтетична тканина на основі крапель води. Gabriel Villar et al. / Science, 2013
Людству доведеться ще досить довго чекати, коли з таких примітивних експериментів вчені зможуть створити щось практично корисне. Активна матерія ще тільки починає розповідати свої секрети. Але вже сам факт виокремлення живої матерії в особливий тип матерії є важливим кроком до розгадки таємниці життя. Врешті-решт, для створення життя на такому досконалому рівні еволюції знадобилися мільйони років!
Автор – аспірант університету Сорбонни в галузі біофізики, випускниця НМУ ім.Богомольця.
Джерело: nauka.ua
