Yeni Doğa fiziği çalışma, araştırmacılar canlı biyolojik hücrelerde evrensel konformal değişmezlik kanıtları sağlamıştır. Kolektif davranıştaki evrensel bir özelliğin canlı hücre gruplarında ortaya çıktığını gösterirler.
Araştırmacılar, evrensel konformal değişmezliğin kanıtlarını bulmak için dört hücresel sistemi incelediler. Milyarlarca yıllık evrim ile ayrılmasına rağmen, araştırmacılar dört sistemin hepsinin aynı istatistiksel özelliklere sahip girdap benzeri akış modelleri ürettiğini buldular.
CEİD, çalışmanın ortak yazarlarından biri olan Kopenhag Üniversitesi’nde doçent olan Dr. Amin Doostmohammadi ile konuştu.
“Bir bardak suyu karıştırdığınızda, jakuzi oluşur ve kaybolur. Bakteriler veya insan hücreleri toplu olarak hareket ettiğinde benzer bir şey olur; onlar da dönen desenler oluştururlar.”
“Bize şaşırtıcı olan, bu çok farklı hücre türlerinin, dönen desenlerinde konformal değişmezlik olarak bilinen gizli bir simetri sergilediğini bulmaktı. Bu, kolektif hareketlerinin aynı istatistiksel kalıpları izlediği, uzattığınızda veya yeniden şekillendirdiğinizde bile izlediği anlamına geliyor.”
Kolektif davranışlar ve CFT
Kolektif hareket, bireysel bileşenlerin spesifik özellikleri nedeniyle ortaya çıkar. Bu, etkileşimlerini, hareketlerini ve uyaranlara yanıtları içerir.
Ortaya çıkan ortaya çıkan özellikler sistemden sisteme değişir, bu da mevcutlarsa kolektif hareketi düzenleyen evrensel ilkeleri incelemeyi zorlaştırır.
Önceki çalışmalarda, araştırmacılar metal veya alaşım malzemeler gibi cansız sistemlerde kritik rejimlerin yakınındaki evrensel davranışları belirleyebildiler.
Bu evrensel davranışlar, güçlü bir matematiksel çerçeve olan Konformal Alan Teorisi (CFT) tarafından tanımlanır. CFT, genellikle kritik noktalarda (faz değişiklikleri gibi) görülen ölçekli değişken ve açı koruyan sistemlere uygulanabilir.
“Living Matter’ın kendisini nasıl organize ettiğini anlamak, bilimin en büyük çözülmemiş bulmacalarından biridir. İlhamımız cesur bir sorudan geldi: Fizikte, hücrelerin nasıl kendini organize ettiğini yöneten evrensel yasalar olabilir mi?” dedi Dr. Doostmohammadi.
Dört farklı yaşam sistemini analiz etmek
Araştırmacılar, aynı bakterilerin mutant bir suşu, Madin-Darby köpek böbrek hücreleri ve agresif insan meme kanseri hücrelerinin vahşi tip Pseudomonas aeruginosa bakterilerinin hücrelerini incelediler.
Dört sistem, farklı hareket mekanizmalarına ve hücresel özelliklere sahip çok çeşitli hücre tiplerini (ökaryotlar ve prokaryotlar) temsil eder.
Her sistem için araştırmacılar hücre tek katmanları oluşturdular ve yüksek çözünürlüklü görüntüleme kullanarak hareketlerini izlediler. Ortaya çıkan hız alanları daha sonra bir noktada lokal rotasyonu temsil eden girdapı hesaplamak için analiz edildi.
Sistemin dönme davranışının değiştiği sınırı temsil eden sıfır girdap bölgeleri için matematiksel analizler yaptılar. Bunlar arasında fraktal boyutunun ölçülmesi, konturların Schramm-Loewner evrimini (SLE) takip edip etmediğini ve sarma açılarının hesaplanmasını içeriyordu.
Doostmohammadi, “SLE, fiziğe tipik olarak perkasyon, manyetizma ve hatta kuantum yerçekiminin yönlerini tanımlamak için kullanılan bir teoridir.” Dedi.
SLE’de, uygun şekilde değişmez eğriler, benzer ortaya çıkan davranışlar sergileyen belirli evrensellik sınıflarını tanımlayan tek bir parametre κ ile karakterizedir.
Araştırmacılar ayrıca, dört sistemde görülen aynı kalıpları yeniden özetlemek için basit bir hesaplama modeli geliştirdiler, bu da bu evrensel özelliklerin hücresel detaylardan bağımsız olarak kolektif dinamiklerden doğal olarak ortaya çıktığını gösteriyorlar.
Süzme evrensellik sınıfı
Araştırmacılar, dört sistemin hepsinde altı olarak ölçüldüğünü buldular. Bu, perkolasyon evrensellik sınıfına aittir – partiküllerin veya sıvıların gözenekli bir ortamdan hareketini, gözenekli bir kayadan akan su gibi tanımlayan aynı sınıftır.
“Bu keşif, temel düzeyde, canlı maddenin evrensel yasalara göre kendini organize ettiğini, yaşam ağacında, bakterilerden çok farklı biyolojiye ve çok farklı morfolojilere sahip insan hücrelerine kadar uygulanan hükmün olduğunu göstermektedir.”
Bu evrensel konformal değişmezlik bulgusu biyolojiyi teorik matematik ve fizik kavramları ile köprüler.
Bu evrensellik, bu biyolojik sistemlerin dengeden uzak çalıştığı, hareketlerini sürdürmek için sürekli enerji tükettiği düşünüldüğünde – bu tür evrensel davranışların tipik olarak fizik ve matematikte gözlemlendiği denge durumlarından başka bir şey tüketir.
Geleceğe baktığımızda Dr. Doostmohammadi, bu çalışmanın kanser ilerlemesi, yara iyileşmesi ve doku gelişimi konusundaki anlayışımızı geliştirmeye yardımcı olabileceğine dikkat çekiyor. Ek olarak, sentetik biyoloji ve rejeneratif tıpta yeni metodolojilere ilham verebilir.
Sadece bu değil, aynı zamanda bu biyolojik sistemler artık CFT’den öncelikle teorik ve sayısal simülasyonlarla sınırlı tahminleri test etmek için deneysel platformlar olarak hizmet edebilir.
