Клетки человека оказались похожими по структуре на… нейтронные звезды

Мы, люди, можем быть даже большей частью Вселенной, чем представляли. По данным исследования, опубликованного в журнале Physical Review C, нейтронные звезды и цитоплазмы клетки имеют нечто общее: структуры, которые напоминают многоэтажные гаражи. В 2014 году физик из области мягких конденсированных веществ Грег Хьюбер и его коллеги исследовали биофизику таких форм — спиралей, соединяющих равномерно распределенные листы — в эндоплазматической сети. Хьюбер и его коллеги назвали их рампами Терасаки в честь их первооткрывателя Марка Терасаки, клеточного биолога из Университета штата Коннектикут.

Хьюбер думал, что эти «парковочные гаражи» были уникальными для мягкого вещества (вроде внутренней части клеток), пока не наткнулся на работу физика-ядерщика Чарльза Горовитца из Университета штата Индиана. Используя компьютерное моделирование, Горовитц и его команда обнаружили такие же формы глубоко в коре нейтронных звезд.

«Я позвонил Чаку и спросил, в курсе ли он, что мы видели такие структуры в клетках и придумали для них модель», говорит Хьюбер, заместитель директора Института теоретической физики Кавли при Калифорнийском университете в Санта-Барбаре. «Для него это было новостью, так что я понял, что у нас может получиться плодотворное сотрудничество».

В результате совместной работы, как отмечено в Physical Review C, они исследовали отношения между двумя совершенно разными моделями вещества.

У физиков-ядерщиков есть весьма точная терминология для всего класса фигур, которые они наблюдают в своих компьютерных моделях нейтронных звезд: ядерная паста. В нее входят трубки (спагетти) и параллельные листы (лазанья), соединенные спиральными формами, напоминающими рампы Терасаки.

«Они наблюдают формы, которые мы видим в клетке», объясняет Хьюбер. «Мы видим трубчатую сеть, мы видим параллельные листы. Мы видим листы, соединенные между собой топологическими дефектами, которые мы называем рампами Терасаки. Поэтому параллели очень глубокие».

Тем не менее физика у них разная. Обычно вещество характеризуется своей фазой, состоянием, которое зависит от термодинамических переменных: плотности (или объема), температуры и давления — факторов, которые значительно отличаются на ядерном и внутриклеточном уровнях.

«Для нейтронных звезд, сильные ядерные и электромагнитные силы создают квантово-механическую проблему, — объясняет Хьюбер. — В недрах клетки, силы, удерживающие вместе мембраны, принципиально энтропийные и имеют отношение к минимизации общей свободной энергии системы. На первый взгляд, это совершенно разные вещи».

Другим отличием является масштаб. В ядерном случае эти структуры основаны на нуклонах, таких как протоны и нейтроны, и эти строительные блоки измеряются фемтометрами (10^-15). В случае внутриклеточных мембран длина шкалы измеряется нанометрами (10^-9). Разница между ними довольно большая (10^-6), но при этом у них дни и те же формы.

«Это значит, что есть что-то глубже, чем мы понимаем, в том, как смоделировать ядерную систему», говорит Хьюбер. «Когда у вас плотное собрание протонов и нейтронов, как на поверхности нейтронной звезды, сильное ядерное взаимодействие и электромагнитные силы совместно подсовывают вам такие фазы вещества, которые вы не сможете предсказать, глядя на небольшие собрания нейтронов и протонов».

Сходство структур взбудоражило физиков-теоретиков и физиков-ядерщиков. Мартин Сэвидж, например, наткнулся на графики из новой работы на arXiv и очень заинтересовался. «То, что подобное состояние вещества возникает в биологических системах, меня очень удивило», говорит Сэвидж, профессор Вашингтонского университета. «В этом определенно что-то есть». Кроме того, сходство это еще и весьма загадочное. Это только начало.