Ви коли-небудь замислювалися над тим, як рослини, гриби та бактерії виростають у складні форми? Вони виглядають так, ніби скручені між собою.
Таке явище теж можна назвати заплутаністю, яка характерна не тільки для квантових систем, але й властива для “живих матеріалів”. Організми можуть бути міцнішими, жорсткішими та більш пристосованими, ніж несплутані.
Заплутаність добре вивчена в неживих матеріалах, таких як полімерні ланцюги або металеві дроти, - вона залежить від точної структури та геометрії компонентів. Однак живі істоти відрізняються від неживої природи: вони ростуть, розвиваються і вмирають, а їхні компоненти складаються з багатьох клітин.
Тож, як біологічні об’єкти досягають заплутаності та які фактори грають ключову роль?
Команда дослідників з Технологічного інституту Джорджії, США, та Ратгерського університету, Нью-Джерсі, запропонувала просту модель самоорганізації, аналізуючи багатоклітинні дріжджі, які виростають у розгалужені дерева.
Раніше було показано, що ці дріжджі, точніше кажучи, дріжджі-сніжинки, еволюціонували до заплутаності менш ніж за два роки лабораторних експериментів. А відтак, заплутаність легко досягається в живих системах.
Науковці провели декілька експериментів й змоделювали на комп'ютерах технологію перетворення “сніжинок” на заплутані конфігурації. Заодно вияснили, як такі конфігурації впливають на рухливість й стабільність дріжджових кластерів.
Основні результати:
- Гілки дріжджів-сніжинок можуть розростатися в дуже обмежені та пасткові конфігурації, які неможливо розплутати простими рухами.
- Конфігурації піддаються лише руйнуванню або деформації матеріалу, наприклад, через розрив зв'язків між клітинами або руйнацію гілок.
Дослідники також з’ясували, що дріжджі утворюють сплетіння практично будь-якої геометрії, на відміну від неживих матеріалів, які вимагають певних форм і розмірів.
Тому біофізики розробили модель зростання завдяки “накопичуванню” заплутаності. Це означає, що розвиток аналогічних біологічних систем залежить від часових рамок: якщо гілки ростуть досить довго, врешті-решт вони переплутаються одна з одною.
Щоб перевірити гіпотезу, науковці провели експерименти з різними типами мікробів, маніпулюючи часом і геометрією їхнього росту. І підтвердили здогадку: сплутування через ріст контролюється часовими рамками, а не геометрією гілок.
Дослідники також дійшли висновку, що заплітання через зростання — це надійний та універсальний механізм створення функціональних живих матеріалів. А переплетення можна використовувати в інженерних цілях, наприклад, для виробництва біоміметичних матеріалів або біореакторів.
