Με ένα νέο μαθηματικό μοντέλο, μια ομάδα βιοφυσικών αποκάλυψε νέες πτυχές για το πώς οι βιολογικοί ιστοί διαμορφώνονται από την ενεργή κίνηση δομικών ατελειών, γνωστών ως «τοπολογικά ελαττώματα».
Τα αποτελέσματα, που δημοσιεύθηκαν στο Physical Review Letters, βασίζονται στις τελευταίες γνώσεις μας για τον σχηματισμό των ιστών και θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην επίλυση μακροχρόνιων πειραματικών μυστηρίων που αφορούν τα ίδια μας τα όργανα.
Τα τοπολογικά ελαττώματα είναι δομικές ατέλειες που εμφανίζονται σε συστήματα με πολλαπλές, ασύμβατες διαμορφώσεις σωματιδίων. Συναντώνται σε πολλά διαφορετικά συστήματα -τόσο φυσικά όσο και τεχνητά- αλλά είναι ιδιαίτερα σημαντικά για την περιγραφή των «ενεργών ρευστών».
Αυτά αποτελούνται από σωματίδια που συλλέγουν συνεχώς ενέργεια από το περιβάλλον τους και τη μετατρέπουν σε κίνηση, παράγοντας τη δική τους προώθηση.
Αυτοπροωθούμενα ελαττώματα και τεχνολογία
Αυτή η συμπεριφορά υποστηρίζει επίσης τη φυσική των οθονών υγρών κρυστάλλων, όπου τα τοπολογικά ελαττώματα εμφανίζονται σε δισδιάστατα συστήματα ραβδόμορφων μορίων και βοηθούν στον καθορισμό του τρόπου με τον οποίο διαμορφώνεται το φως για την παραγωγή εικόνων και χρωμάτων στα κινητά και τις τηλεοράσεις μας.
Πέρα από τις τεχνολογικές εφαρμογές, οι κινήσεις αυτών των ελαττωμάτων σε ενεργά ρευστα μπορούν να προκαλέσουν ποικίλα εξωτικά φαινόμενα. «Τέτοια ενεργά συστήματα καθοδηγούνται από εσωτερικές δυνάμεις, που παράγονται από μοριακές μηχανές», εξηγεί ο Fridtjof Brauns από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στη Σάντα Μπάρμπαρα, ο οποίος ηγήθηκε της έρευνας.
«Αυτή η εσωτερική δραστηριότητα οδηγεί σε φαινόμενα όπως οι ενεργές τυρβώδεις ροές και τα αυτοπροωθούμενα τοπολογικά ελαττώματα που εστιάζουν τη μηχανική καταπόνηση».
Ελαττώματα σε ζωντανά συστήματα
Αυτές οι ιδέες μπορούν επίσης να εφαρμοστούν σε ζωντανούς ιστούς, όπως οι μύες, οι οποίοι αποτελούνται από δεσμίδες μακριών, νηματοειδών κυττάρων. «Αυτοί οι ιστοί συχνά δρουν ως στερεά -αντιστέκονται στις δυνάμεις έτσι ώστε το υλικό να μην μπορεί να κινηθεί ελεύθερα», λέει ο Brauns. «Αντίθετα, οι δυνάμεις δημιουργούν εσωτερικές τάσεις που μπορούν να επηρεάσουν τον προσανατολισμό των κυττάρων».
Σε ένα τέτοιο σύστημα, τα τοπολογικά ελαττώματα εμφανίζονται όταν οι προσανατολισμοί διαφορετικών ομάδων μυϊκών ινών δεν ευθυγραμμίζονται. Η ομάδα του Brauns ανέπτυξε ένα απλό μαθηματικό μοντέλο που καταγράφει τις μηχανικές δυνάμεις που βιώνουν οι μύες καθώς συστέλλονται και χαλαρώνουν. «Δείχνουμε ότι τα τοπολογικά ελαττώματα στα ενεργά στερεά συμπεριφέρονται θεμελιωδώς διαφορετικά από εκείνα στα ενεργά ρευστά», περιγράφει ο Brauns.
«Συγκεκριμένα, βρίσκουμε έναν νέο μηχανισμό αυτοπροώθησης των ελαττωμάτων, τα οποία κινούνται σε σχέση με το στερεό υλικό».
Οι απαρχές του σχήματος των ιστών
Οι ανακαλύψεις της ομάδας θα μπορούσαν να έχουν ιδιαίτερα σημαντικές επιπτώσεις στην κατανόηση της «μορφογένεσης» -της διαδικασίας με την οποία οι οργανισμοί αποκτούν το σχήμα και τη δομή τους. Προηγουμένως, οι βιοφυσικοί είχαν αναγνωρίσει τη σημασία των τοπολογικών ελαττωμάτων στην ικανότητα του υδρόβιου οργανισμού Hydra vulgaris να αναγεννά μέρη του σώματός του.
Προσφέροντας μια βαθύτερη περιγραφή του πώς οι μηχανικές δυνάμεις μπορούν να κινήσουν και να τοποθετήσουν αυτές τις ατέλειες, τα αποτελέσματα της ομάδας θα μπορούσαν να εξηγήσουν γενικότερα πώς οι διάφοροι οργανισμοί αποκτούν το σχήμα τους. Επιπλέον, η θεωρία μπορεί να επιλύσει αινιγματικές παρατηρήσεις από πειράματα σε νεφρικό ιστό, όπου διαπιστώθηκε ότι τα τοπολογικά ελαττώματα κινούνται προς την αντίθετη κατεύθυνση από εκείνη που προέβλεπαν τα μοντέλα ενεργών ρευστών.
