Люди, как жидкость Что такое активная материя и как она объясняет физику жизни?

Об активной материи ученые заговорили совсем недавно, но популярность этой темы растет чрезвычайно быстрыми темпами. Так, согласно электронной базе данных PubMed, начиная с 2000-х годов, ежегодное количество публикаций связанных с активной материей выросла в 10 раз, от примерно 500 публикаций в 1999 году до почти 5000 публикаций в 2019 году. Что же такое активное, или, как ее еще называют, живая материя? Для того, чтобы называться активной материей, «вещество» должна иметь два свойства. Во-первых, она должна состоять из элементов, которые потребляют энергию из окружающей среды и благодаря этому энергия выполняют определенную механическую работу. Птицы и бегуны марафонов потребляют пищу, чтобы двигаться, а элементы клеточного скелета используют молекулы АТФ, чтобы обеспечить форму и движение клетки. Во-вторых, двигаясь вместе, эти элементы должны формировать систему, которую можно рассматривать как единое целое. Да, мы наблюдаем за движением стаи птиц, которая выполняет странные виражи в небе, или сами становимся частью активной материи, когда утром протискиваемся в толпе к метро.

Найти закон, по которому можно было бы математически описать поведение активной материи в независимости от того, из чего именно эта материя состоит — вот мечта ученых сегодня. Этот закон будет чем-то вроде законы физики, описывающие, как движение атомов и молекул приводит к возникновению таких привычных явлений как температура или давление. Как будет выглядеть этот закон, ученые еще не знают, но уже есть определенные идеи.

Первым, кто догадался откуда начать, был ученый из Будапешта Тамаш Вичек. Модель Вичека общая и может применяться ко многим системам активной материи, но я расскажу о ней на примере стаи птиц. Вичек предложил изобразить каждую птицы как стрелочку, указывающую в направлении полета птицы. И добавил правило: любые две птицы, оказавшиеся рядом, синхронизируют свои скорости, чтобы лететь в одном направлении. Однако, из-за того, что птицы — это живые существа, а не роботы, порой могут возникать сбои во взаимной синхронизации. Таким образом, направление полета каждой птицы будет совпадать со средним направлением полета ее соседей, но время от времени возможны ошибки. Такое простое правило приводит к интересным результатам. Если птиц всего несколько, то их движение будет хаотичным, каждая птица лететь в определеном направлении. Но с увеличением количества птиц в воздухе, у птицы появляться больше соседей, и соответственно, он будет координировать свое движение с большим количеством птиц. А они, в свою очередь, со своими соседями. Движение птичьей стаи будет становиться более и более направленным.

Интересен также и механизм, благодаря которому птицы поддерживают постоянное расстояние между собой. Вы, наверное, замечали, как в начале осени птицы выстраиваются в клиновидные стаи. Если сделать фото или видео таких стай, то хорошо видно, что расстояние между птицами всегда примерно одинакова. Более того, птицы машут крыльями синхронно! Оказывается, что такая конфигурация стаи энергетически наиболее выгодна для птиц. Дело в том, что делая взмах крыльями, птица вызывает после себя волну воздуха, так же, как возникает волна на воде после плавника. И следующая птица летит именно там, где находится восходящий поток. Таким образом, она тратит меньше энергии, чтобы держать себя на необходимой высоте. А его синхронный взмах крыльев еще более усиливает воздушную волну для последующих птицы. Это позволяет птицам экономить энергию и преодолевать такие большие расстояния во время миграций.

В биологии принято, что если ученые-теоретики выводят какой-то закон, то для его подтверждения необходимо провести эксперимент. Итак, для того, чтобы подтвердить модель Вичека, надо показать экспериментально, что любые объекты, которые движутся и попарно взаимодействуют между собой, могут сформировать «стаю» вроде птичьей. Для своего эксперимента ученые решили использовать группу дронов. Они закупили несколько десятков беспилотников, которые могли обмениваться своими GPS-координатами. Правила были просты: дроны, которые находятся рядом, координируют свои скорости и направление, а при приближении к любому препятствию, дроны «отталкиваются» от него. Дронов подняли в воздух и оставили без центрального управления. Модель сработала! Дроны не только летели сплоченной «стаей», но и были в состоянии обходить препятствия на своем пути.

Модель Вичака стала стартовой точкой для теоретических и экспериментальных исследований активной материи. Она позволила взглянуть на уже известные феномены под другим углом. Были созданы математические модели, способные предвидеть коллективное поведение рыб, насекомых и овец. Но французские ученые пошли еще дальше, и попытались разработать модель, предусматривающую поведение человеческой толпы! Обычно подобные модели базируются на взаимодействии между объектами в группе, как видно на примере модели птичьей стаи, описанной выше. Однако, несмотря на все усилия, науке так и не удалось сформулировать простые и устоявшиеся правила межчеловеческой взаимодействия. Поэтому французские ученые пошли другим путем. Они заметили, что толпа похожа на поток жидкости, и попытались его описать с помощью законов гидродинамики — раздела физики, изучающей движение жидкостей. До сих пор еще никто не решался использовать знания о жидкости для описания таких крупных объектов как толпа.

В качестве толпы для экспериментов ученые выбрали бегунов марафона в Чикаго. Они сделали записи того, как тысячи бегунов приближаются к старту во время марафона. Согласно правилам марафона, бегуны разделены на группы и собираются перед стартом на ограниченных участках площадью 200×20 метров. За два года в марафоне приняли участие более 80 000 человек. Вместо того, чтобы следить за каждым бегуном, ученые рассматривали толпу как сплошное целое. Они измерили плотность толпы и создали карту скоростей — с какой скоростью и в каком направлении движется толпа в каждой точке пространства. С удивлением ученые увидели, что средняя плотность толпы была абсолютно одинакова на всех записях, а волна движения распространялась вдоль стартовой площадки с одинаковой скоростью. Измерив еще ряд показателей, ученые составили математические уравнения, описывающие движение толпы, будто это был поток воды. Они использовали эти уравнения для предсказания поведения толпы на двух других марафонах — в Париже и Атланте. Теоретические расчеты полностью совпали с реальными измерениями!

Создание таких теоретических моделей имеет важное практическое значение. Ведь понимание, какие факторы и как влияют на поведение толпы, дает возможность заранее управлять толпой. А это, в свою очередь, поможет избежать трагедий, связанных с давкой и улучшить организацию публичных пространств.

Изучение активной материи интригует ученых не только из-за возможности узнать что-то новое о жизни, но и как источник вдохновения для создания синтетических материалов со свойствами живых.

Так, ученых заинтересовал механизм мышечного сокращения. Наши мышцы состоят из длинных и тонких волокон, которые называются актиновые волокна. По этим волокнам «шагают» маленькие молекулярные моторы — молекулы миозина. Эти молекулы способны присоединяться одновременно к нескольким волокон актина, и двигаясь вдоль них, миозин взимает эти волокна друг к другу, что и вызывает сокращение мышцы. А что, если бы мы могли создавать подобные структуры вне живого организма? Это бы позволило создать материалы способные сокращаться или менять свою форму. Ученые из Германии решили попробовать реализовать эту идею. Они смешали в пробирке волокна актина с миозином и добавили естественного «топлива» — высокоэнергетические молекулы АТФ. Полученную смесь ученые разместили на предметном стекле и посмотрели под микроскопом. Когда концентрация актиновых волокон и миозина была низкой — ничего особенного не происходило. Волокна просто плавали в смеси без всякого видимого порядка. Но только ученые увеличили концентрацию, актиновые волокна начали формировать узоры: пульсирующая скопления, завихрения и полоски. Очень быстро ученые распознали в увиденном те же явления, которые описывал Вичек в своей модели.

Есть и другие возможности применения молекулярных моторов. В клетках живых организмов молекулярные моторы-роботы используются для перемещения веществ внутри клетки. Как уже упомянутый выше миозин, они «идут» вдоль определенных молекул и «держат в руках» груз, который нужно перенести. Это вдохновило ученых создать искусственных роботов, имитирующих природных. Такой робот размером всего несколько нанометров может двигаться вдоль металлической поверхности, собирать с нее отдельные компоненты и составлять из них молекулу небольшого белка. Это не единственное достижение в создании нанороботов. Ученые из разных лабораторий создают миниатюрные механизмы — моторы, пропеллеры, выключатели. Более 50 различных роботов по всему миру ждут, пока ученые найдут способ их совместить, как детали миниатюрного конструктора. Научиться, как заставить миллионы микроскопических механизмов работать слаженно, чтобы достичь заметного эффекта на макроскопическом уровне — это задача робототехники будущего.

Другой попыткой применения знаний, полученных благодаря изучению активной материи, является создание искусственных тканей типа биологических. Ученые из Великобритании создали сеть из капель воды, напоминающие своим свойствам клетки организма. Используя 3D-принтер ученые объединили эти капли в желеобразный материал, который может самостоятельно сворачиваться в клубок, как мышцу, и передавать электрический сигнал, как группа нейронов — клеток нервной системы. Ученые надеются, что их разработки станут основой для создания синтетических тканей и органов. «Мы просто хотим увидеть, как далеко можно зайти в имитации живых тканей», — объясняет один из участников проекта.

Человечеству придется еще довольно долго ждать, когда из таких простых экспериментов ученые смогут создать что-то практически полезное. Активная материя еще только начинает рассказывать свои секреты. Но уже сам факт выделения живой материи в особый тип материи является важным шагом к разгадке тайны жизни. В конце концов, для создания жизни на таком совершенном уровне эволюции понадобились миллионы лет!

Автор — аспирант университета Сорбонны в области биофизики, выпускница НМУ Богомольца.

Перевод материала nauka.ua