Группа биофизиков, используя новую математическую модель, представила новые данные о том, как формируются биологические ткани под воздействием активного движения структурных дефектов, известных как «топологические дефекты». Результаты, опубликованные в журнале Physical Review Letters, дополняют наше новейшее понимание формирования тканей и могут даже помочь разрешить давние экспериментальные загадки, касающиеся наших собственных органов.

Топологические дефекты — это структурные несовершенства, возникающие в системах, содержащих множество несовместимых конфигураций частиц. Они встречаются во многих различных типах систем — как природных, так и созданных человеком, — но особенно важны для описания « активных жидкостей », которые состоят из частиц, постоянно собирающих энергию из окружающей среды и преобразующих её в движение, генерируя собственную движущую силу.

Такое поведение также лежит в основе физики жидкокристаллических дисплеев , где топологические дефекты возникают в двумерных системах стержнеобразных молекул и помогают определять, как модулируется свет для получения изображений и цветов, которые мы видим каждый день на экранах наших телефонов, ноутбуков и телевизоров.

Дефекты самодвижения

Помимо этих непосредственных технологических применений, движение топологических дефектов в активных жидкостях может вызывать множество более экзотических эффектов.

«Такие активные системы приводятся в движение внутренними силами, генерируемыми молекулярными двигателями», — объясняет Фритьоф Браунс из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, возглавлявший исследование. «Эта внутренняя активность приводит ко многим захватывающим явлениям, таким как активные турбулентные потоки и самодвижущиеся топологические дефекты, которые концентрируют механическое напряжение».

Эти особенности поведения особенно полезны для описания биологических систем, таких как колонии бактерий, которые используют энергию окружающей среды для передвижения к новым источникам питательных веществ.

Дефекты в живых системах

Но эти принципы применимы не только к жидкостным системам. Как объясняет Браунс, те же идеи можно использовать и для живых тканей, таких как мышцы, которые состоят из пучков длинных нитевидных клеток. «Эти ткани часто ведут себя как твердые тела — они сопротивляются силам, поэтому материал не может свободно перемещаться», — говорит он. «Вместо этого силы создают внутренние напряжения и деформации, которые могут влиять на ориентационную упорядоченность».

В такой системе топологические дефекты могут возникать, когда ориентация различных групп мышечных волокон нарушается. В своем исследовании команда Браунса поставила перед собой задачу глубже понять эти механические процессы. Для этого они разработали относительно простую математическую модель, описывающую механические силы, которые испытывают мышцы при сокращении и расслаблении.

«Мы показываем, что топологические дефекты в активных твердых телах ведут себя принципиально иначе, чем в активных жидкостях», — описывает Браунс. «В частности, мы обнаружили новый механизм самодвижения дефектов, которые перемещаются относительно твердого материала».

Происхождение форм тканей

Открытия команды могут иметь особенно важное значение для нашего понимания «морфогенеза» — процесса, посредством которого организмы приобретают свою форму и структуру. Ранее биофизики признали важность топологических дефектов для способности водного организма Hydra vulgaris регенерировать части своего тела.

Более подробное описание того, как механические силы могут перемещать и позиционировать эти дефекты, позволит команде исследователей объяснить в более общем плане, как различные организмы приобретают свою форму тела.

«Кроме того, наша теория может объяснить загадочные наблюдения, полученные в экспериментах in vitro на почечной ткани, где было обнаружено, что топологические дефекты движутся в противоположном направлении по сравнению с предсказаниями моделей активной жидкости», — добавляет Браунс. «В случае активного твердого тела направление может быть обратным по сравнению с активной жидкостью, что, возможно, разрешает эту загадку».