My, ludzie, możemy być jeszcze bardziej we wszechświecie, niż sobie wyobrażaliśmy. Według badań opublikowanych w czasopiśmie Physical Review C gwiazdy neutronowe i cytoplazma komórek mają coś wspólnego: struktury przypominające wielopiętrowe garaże. W 2014 roku fizyk miękkiej materii skondensowanej Greg Huber i jego współpracownicy zbadali biofizykę tych kształtów - spirali łączących równomiernie rozmieszczone arkusze - w retikulum endoplazmatycznym. Huber i jego koledzy nazwali je Terasaki Ramps na cześć ich odkrywcy Marka Terasaki, biologa komórkowego z University of Connecticut.
Huber uważał, że te „garaże parkingowe” są unikalne dla miękkiej materii (podobnie jak wnętrze komórek), dopóki nie natknął się na pracę fizyka jądrowego Charlesa Horowitza z Indiana State University. Za pomocą symulacji komputerowych Horowitz i jego zespół odkryli podobne kształty głęboko w skorupie gwiazd neutronowych.
„Zadzwoniłem do Chucka i zapytałem, czy zdaje sobie sprawę z tego, że widzieliśmy takie struktury w komórkach, i wymyślił dla nich model” - mówi Huber, zastępca dyrektora Instytutu Fizyki Teoretycznej Kavli na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Barbara. „To była dla niego nowość, więc zdałem sobie sprawę, że możemy mieć owocną współpracę”.
W wyniku ich wspólnej pracy, jak zauważono w Physical Review C, zbadali związek między dwoma zupełnie różnymi modelami materii.
Fizycy jądrowi mają bardzo precyzyjną terminologię dla całej klasy figur, które obserwują w swoich komputerowych modelach gwiazd neutronowych: pasta jądrowa. Składa się z rurek (spaghetti) i równoległych arkuszy (lasagne), połączonych spiralnymi kształtami przypominającymi rampy Terasaki.
„Obserwują kształty, które widzimy w komórce” - wyjaśnia Huber. „Widzimy sieć rur, widzimy równoległe arkusze. Widzimy arkusze połączone ze sobą defektami topologicznymi, które nazywamy rampami Terasaki. Dlatego podobieństwa są bardzo głębokie”.
Film promocyjny:
Niemniej jednak ich fizyka jest inna. Zwykle substancję charakteryzuje jej faza, stan zależny od zmiennych termodynamicznych: gęstości (lub objętości), temperatury i ciśnienia - czynników, które różnią się znacznie na poziomie jądrowym i wewnątrzkomórkowym.
„W przypadku gwiazd neutronowych silne siły jądrowe i elektromagnetyczne stanowią problem mechaniki kwantowej” - wyjaśnia Huber. - We wnętrzu komórki siły utrzymujące razem membrany są zasadniczo entropiczne i są związane z minimalizacją całkowitej darmowej energii systemu. Na pierwszy rzut oka to zupełnie inne rzeczy”.
Kolejną różnicą jest skala. W przypadku jądra struktury te są oparte na nukleonach, takich jak protony i neutrony, a te bloki budulcowe są mierzone za pomocą femtometrów (10-15). W przypadku błon wewnątrzkomórkowych długość łuski mierzy się w nanometrach (10-9). Różnica między nimi jest dość duża (10-6), ale jednocześnie mają dni i te same formy.
„Oznacza to, że jest coś głębszego, niż to, co rozumiemy, jeśli chodzi o modelowanie systemu jądrowego” - mówi Huber. „Kiedy masz gęsty zbiór protonów i neutronów, jak na powierzchni gwiazdy neutronowej, silne siły nuklearne i elektromagnetyczne łączą się, aby wprowadzić cię w fazy materii, których nie można przewidzieć, patrząc na małe zbiory neutronów i protonów”.
Podobieństwo struktur wzbudziło zainteresowanie fizyków teoretycznych i fizyków jądrowych. Na przykład Martin Savage natknął się na wykresy z nowej pracy nad arXiv i bardzo się nimi zainteresował. „Byłem bardzo zaskoczony, że taki stan materii zachodzi w układach biologicznych” - mówi Savage, profesor z University of Washington. „Na pewno coś w tym jest”. Ponadto podobieństwo jest również bardzo tajemnicze. To dopiero początek.
ILYA KHEL
