Forskere bekræfter en strukturel lighed, der findes i både menneskelige celler og neutronstjerner

Vi mennesker er måske mere i overensstemmelse med universet, end vi er klar over. Ifølge forskning offentliggjort i tidsskriftet Fysisk gennemgang C , neutronstjerner og cellecytoplasma har noget tilfælles:strukturer, der ligner parkeringshuse i flere etager.

I 2014, UC Santa Barbara blød kondenseret fysiker Greg Huber og kolleger undersøgte biofysikken i sådanne former-spiraler, der forbinder stakke af jævnt fordelte ark-i en cellulær organel kaldet endoplasmatisk retikulum (ER). Huber og hans kolleger kaldte dem Terasaki -ramper efter deres opdager, Mark Terasaki, en cellebiolog ved University of Connecticut.

Huber troede, at disse "parkeringshuse" var unikke for blødt stof (som det indre af celler), indtil han skete på atomfysiker Charles Horowitz 'arbejde ved Indiana University. Ved hjælp af computersimuleringer, Horowitz og hans team havde fundet de samme former dybt i skorpen af ​​neutronstjerner.

"Jeg ringede til Chuck og spurgte, om han var klar over, at vi havde set disse strukturer i celler og var kommet med en model til dem, sagde Huber, vicedirektør for UCSB's Kavli Institute for Theoretical Physics (KITP). "Det var en nyhed for ham, så jeg indså da, at der kunne være et frugtbart samspil. "

Det resulterende samarbejde, fremhævet i Fysisk gennemgang C , undersøgt forholdet mellem to meget forskellige modeller af stof.

Kernfysikere har en passende terminologi for hele klassen af ​​former, de ser i deres højtydende computersimuleringer af neutronstjerner:atompasta. Disse omfatter rør (spaghetti) og parallelle plader (lasagne) forbundet med spiralformede former, der ligner Terasaki -ramper.

"De ser en række forskellige former, som vi ser i cellen, "Forklarede Huber." Vi ser et rørformet netværk; vi ser parallelle ark. Vi ser ark forbundet med hinanden gennem topologiske defekter, vi kalder Terasaki -ramper. Så parallellerne er ret dybe. "

Imidlertid, forskelle kan findes i den underliggende fysik. Materiale er typisk karakteriseret ved dets fase, som afhænger af termodynamiske variabler:densitet (eller volumen), temperatur og tryk - faktorer, der er meget forskellige på atomniveau og i en intracellulær kontekst.

"For neutronstjerner, den stærke atomkraft og den elektromagnetiske kraft skaber det, der grundlæggende er et kvantemekanisk problem, "Forklarede Huber." I det indre af celler, de kræfter, der holder sammen membraner, er fundamentalt entropiske og har at gøre med minimering af systemets samlede frie energi. Ved første øjekast, disse kunne ikke være mere forskellige. "

En anden forskel er skala. I atomkraftsagen, strukturerne er baseret på nukleoner som protoner og neutroner, og disse byggesten måles ved hjælp af femtometre (10-15). For intracellulære membraner som ER, længdeskalaen er nanometer (10-9). Forholdet mellem de to er en faktor på en million (10-6), alligevel skaber disse to vidt forskellige regimer de samme former.

"Det betyder, at der er nogle dybe ting, vi ikke forstår om, hvordan man modellerer atomsystemet, "Sagde Huber." Når du har en tæt samling af protoner og neutroner, som du gør på overfladen af ​​en neutronstjerne, den stærke atomkraft og de elektromagnetiske kræfter sammensværger for at give dig faser af stof, du ikke ville være i stand til at forudsige, hvis du bare havde set på de kræfter, der opererede på små samlinger af neutroner og protoner. "

Strukturenes lighed er medrivende for både teoretiske og atomfysikere. Kernefysikeren Martin Savage var i KITP, da han stødte på grafik fra det nye papir om arXiv, et forudskrivningsbibliotek, der sender tusindvis af fysik, artikler om matematik og datalogi. Umiddelbart blev hans interesse vakt.

"At lignende faser af stof dukker op i biologiske systemer var meget overraskende for mig, sagde Savage, professor ved University of Washington. "Der er klart noget interessant her."

Medforfatter Horowitz var enig. "At se meget lignende former i så påfaldende forskellige systemer tyder på, at et systems energi kan afhænge af dets form på en enkel og universel måde, " han sagde.

Huber bemærkede, at disse ligheder stadig er ret mystiske. "Vores papir er ikke slutningen på noget, "sagde han." Det er virkelig begyndelsen på at se på disse to modeller. "