Исследование показывает, что движение без тяги возможно

В статье, опубликованной в издании Physical Review Letters, ученые ответили на фундаментальный вопрос: «Можно ли двигаться, не оказывая силы на окружающую среду?», описав самоходную тягу активной материи.

Понимание того, как клетки двигаются автономно, является фундаментальным вопросом как для биологов, так и для физиков.

Эксперименты по клеточной подвижности обычно проводят, наблюдая за движением клетки на предметном стекле под микроскопом.

В этих условиях клетки «ползают» по поверхности. Ползание хорошо понятно: клетки прикрепляются к поверхности и используют эти точки привязки, чтобы продвигаться вперед (как ползание по земле). Однако сканирование in vivo очень неэффективно, когда клетки перемещаются в сложных трехмерных средах.

Ученые из Школы математики в Бристоле определили другой движущий механизм, особенно подходящий для движения клеток в тканях — тот, который не полагается на передачу силы через опорные точки.

Они обнаружили, что самодвижение без тяги (локальная сила на окружающую среду) возможно, если вы состоите из «активной» материи, как клетки. Они описывают, как капля активного вещества может двигаться вперед в узком канале, не оказывая никакого влияния на стены вокруг нее.

Ведущий автор, доктор Авроре Луази, сказал: «Движение без тяги противоречит здравому смыслу. Мы очень обрадовались, когда поняли, что это не только возможно, но и то, что оно обеспечивает правдоподобное объяснение такой важной проблемы, как подвижность клеток в тканях».

«Кроме того, часть красоты этого бесхитростного самодвижения заключается в том, что оно описывается аналитическим решением замечательной и необычной простоты. Из-за сложности (нелинейности) уравнений, описывающих активную материю, мы не ожидали, что в итоге получим что-то настолько простое!»

Активная материя — это особая разновидность, повсеместно распространенная в биологии, в которой метаболическая энергия постоянно преобразуется в механическую энергию. Эта способность генерировать механические силы внутри, в объеме, это то, что позволяет капле двигаться, не оказывая усилий на ее границах (стенках).

«Капля активного вещества, движущаяся через крошечные каналы, является минимальной моделью для понимания подвижности клеток в тканях, которые являются переполненной средой со сложной геометрией».

«Механизм, который мы обнаружили, дает возможное объяснение открытого вопроса о том, как клетки перемещаются в этих средах. Такая подвижность имеет решающее значение для множества физиологических процессов в живых организмах, включая иммунный ответ и заживление раны, а ее дерегуляция является ключом к распространению рака (метастаз)».

Следующим шагом является экспериментальное наблюдение этого явления с использованием капли клеточных экстрактов в специально сконструированном микроканале.

Aurore Loisy et al, Tractionless Self-Propulsion of Active Drops, Physical Review Letters (2019). DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.248006