Překvapivý objev: Aktivní pohyb může bránit uspořádání v živých systémech

Zatímco pasivní vláknité objekty se při dostatečné hustotě spontánně uspořádávají, například do zarovnaných struktur, u živých systémů, jako jsou červi nebo bakterie, je tento proces mnohem složitější.

Zatímco pasivní vláknité objekty se při dostatečné hustotě spontánně uspořádávají, například do zarovnaných struktur, u živých systémů, jako jsou červi nebo bakterie, je tento proces mnohem složitější. Tým výzkumníků z Amsterdamské univerzity (UvA) nyní prokázal, že aktivní pohyb může zásadně změnit jeden z nejdůležitějších fázových přechodů ve fyzice měkké hmoty.

Mnoho systémů v přírodě se samovolně organizuje: hejna ptáků srovnávají směr letu, školy ryb se pohybují kolektivně a dokonce i molekuly mohou koordinovat svou orientaci a vytvářet uspořádané fáze. U vláknitých objektů dochází ke klíčovému přechodu, když se zvýší jejich hustota. Při nízké hustotě směřují náhodnými směry (izotropní fáze), ale s přidáváním dalších vláken se začnou vzájemně zarovnávat, až většina směřuje zhruba stejným směrem, čímž vzniká uspořádaný stav známý jako nematicá fáze. Tento přechod z nepořádku k řádu je dobře popsán pro pasivní systémy, kde vlákna reagují pouze na tepelné fluktuace.

Biologické systémy však většinou nejsou pasivní. Cytoskeletární vlákna uvnitř živých buněk, bakteriální řetězce a shluky červů neustále spotřebovávají energii k vytváření vlastního pohybu. Takové systémy spadají do rychle se rozvíjejícího oboru aktivní hmoty. Nová studie, publikovaná v časopise Physical Review Letters, ukazuje, že aktivita dělá mnohem víc než jen zavádí dodatečný pohyb. Twan Hooijschuur, doktorand a první autor práce, uvedl, že se často předpokládá, že aktivita pomáhá systémům prozkoumávat nové konfigurace. Překvapivé však je, že aktivita může ve skutečnosti bránit systému v ustálení se v uspořádaném stavu.

Nové výsledky naznačují, že živé systémy mohou aktivitu využívat nejen k vytváření pohybu, ale také k regulaci míry své vlastní organizace. Kontrolou úrovně aktivity by biologické systémy mohly zůstat přizpůsobivé a reagující, namísto aby se uvěznily v rigidních uspořádaných stavech. K prozkoumání tohoto problému provedli vědci rozsáhlé počítačové simulace aktivních polopružných polymerů. Tyto protáhlé vláknité struktury se pohybují podél svých vlastních obrysů, přičemž zůstávají dostatečně pružné, aby se ohýbaly a deformovaly.

Simulace odhalily pozoruhodný výsledek. V pasivních systémech dochází k přechodu z nepořádku k řádu poměrně náhle, jakmile je dosaženo kritické hustoty. Vlákna se náhle zarovnají a vytvoří nematicou fázi. U aktivních vláken se však tento proces dramaticky mění. S rostoucí aktivitou se nástup uspořádání posouvá k postupně vyšším hustotám. Zároveň se přechod stává stále plynulejším a pozvolnějším. Hooijschuur vysvětluje, že namísto náhlého uspořádání se aktivní polymery organizují mnohem pomaleji. Čím silnější je aktivita, tím obtížnější je pro systém dosáhnout kolektivního zarovnání. Systém se neustále snaží zarovnat, zatímco aktivní fluktuace toto zarovnání neustále narušují.