Физика стремится к равновесию. Чашка горячего кофе на столе остынет, маятник остановится, газ равномерно заполнит комнату. Это состояние термодинамического покоя. Но живая клетка — это бунт против равновесия. Она постоянно потребляет энергию, чтобы двигаться, делиться и поддерживать свою структуру. Как только клетка достигает равновесия, она умирает.
Физики десятилетиями пытаются описать это состояние активности с помощью математики. До сих пор считалось, что все показатели активности связаны: если система потребляет много энергии, она должна сильно вибрировать и демонстрировать четкое направление времени. Новое исследование, проведенное в Дрезденском техническом университете, рассматривает другой вариант. Оказывается, в живых клетках хаос (температура) и порядок времени (необратимость) регулируются независимо друг от друга.
Цитоскелет Иммунофлуоресцентный снимок пучков актина в миобластах — клетках, из которых формируется мышечная ткань. Актиновые нити (зеленые) подсвечены с помощью фаллоидина — токсина бледной поганки (Amanita phalloides), к которому прикрепили флуоресцентную метку. Синим цветом окрашены ядра клеток. Авторство: Alex Ritter, Jennifer Lippincott Schwartz и Gillian Griffiths, Национальные институты здравоохранения (NIH).
Автор: by NIH Image Gallery, Public Domain MarkИсточник: www.flickr.com
Как измерить «живость» материи?
Чтобы понять, насколько система далека от равновесия, ученые используют два основных инструмента.
Первый — эффективная температура. В обычной физике температура определяет, насколько сильно молекулы толкают друг друга. В активной биологической среде, такой как цитоскелет клетки, молекулярные моторы создают дополнительные толчки. Эффективная температура показывает, насколько эти активные флуктуации превышают обычный тепловой шум. Если эффективная температура высока, система бурлит.
Второй — необратимость времени. Законы механики Ньютона симметричны во времени: если вы посмотрите видео столкновения катящихся бильярдных шаров в обратной перемотке, вы не заметите разницы. Но если разбить яйцо, направление времени очевидно. В биологии процессы потребления энергии (например, сжигание АТФ) создают «стрелу времени». Математически это измеряется через расхождение Кульбака-Лейблера — величину, показывающую разницу между записью процесса, проигранной вперед и назад.
Долгое время предполагалось, что эти параметры растут синхронно. Больше сожженной энергии — выше эффективная температура — очевиднее стрела времени. Исследователи проверили эту гипотезу на кортексе (оболочке) человеческих клеток HeLa. И гипотеза провалилась.
Изучение активных колебаний клеточной оболочки с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ). (a) Схема эксперимента: зеленым показаны полимеры актина (каркас клетки), красным — моторные белки, создающие напряжение. (b) Вид под микроскопом (снизу): зонд АСМ погружен в оболочку (кортекс) клетки HeLa, застывшей в стадии деления. Масштабная линейка: 20 мкм. (c) Слева: График колебаний положения наконечника зонда δ_c( t ) внутри клетки. Левая врезка: Увеличенный вид активного «всплеска» силы, направленного наружу. Виден резкий скачок вверх и более плавный спад — эта асимметрия указывает на необратимость времени. Правая врезка: Всплеск силы, направленный внутрь клетки — он имеет почти симметричную форму. (d) График активности (среднеквадратичное смещение). Фиолетовые круги показывают сильные колебания зонда внутри живой клетки. Синие квадраты — слабые колебания зонда просто в воде. Черная линия — теоретическая модель. arXiv:2503.17016 [physics.bio-ph]
Автор: N Narinder, Elisabeth Fischer-FriedrichИсточник: arxiv.org
Эксперимент: слушать шум внутри клетки
Ученые использовали атомно-силовой микроскоп (АСМ). Тончайший зонд погружался в актиновый кортекс клетки, находящейся в стадии митоза (деления). В этом состоянии клетка круглая и жесткая, а ее внутренний «скелет» находится под большим напряжением.
Зонд работал как микрофон, записывающий механический шум. Он фиксировал колебания клеточной оболочки. В нормальном состоянии эти колебания были серией резких рывков. Зонд резко смещался наружу, а затем медленно возвращался в исходное положение. Эта асимметрия (быстрый рывок — медленный спад) — четкий маркер необратимости времени.
Затем исследователи начали ломать клеточные механизмы с помощью химии, чтобы посмотреть, как изменятся показатели.
Высокая эффективная температура как индикатор активности клетки. (a) График интенсивности колебаний зонда (среднеквадратичное смещение). Фиолетовые круги: обычная делящаяся клетка (контроль) — максимальная подвижность. Желтые треугольники: клетка с отключенными моторами (Блеббистатин). Зеленые ромбы: клетка с остановленным обновлением каркаса (Латрункулин-А). Видно, что любое химическое вмешательство снижает размах движений по сравнению с нормой. (b) График отклонения от равновесия. В обычной «неживой» физике пустые и закрашенные символы должны совпадать. Здесь виден огромный разрыв между ними — это математическое доказательство того, что система находится в активном, неравновесном состоянии. (c) Эффективная температура. График показывает, во сколько раз «шум» внутри клетки превышает обычную комнатную температуру. Обратите внимание: даже при воздействии лекарств (зеленые и желтые линии) на низких частотах температура остается очень высокой, показывая, что внутри все еще «бурлит» активность. (d) График рассеяния энергии (производства энтропии). Здесь видно главное расхождение: для клеток под Латрункулином (зеленые ромбы) потеря энергии падает очень сильно, гораздо ниже контроля. При этом на графике (c) их температура была почти такой же высокой. Врезка (маленький график): Показывает отношение упругости к вязкости. Она объясняет парадокс: под действием Латрункулина оболочка клетки становится более жесткой (твердой), поэтому она меньше тратит энергию впустую, но при этом сохраняет высокий уровень шума. arXiv:2503.17016 [physics.bio-ph]
Автор: N Narinder, Elisabeth Fischer-FriedrichИсточник: arxiv.org
Парадокс Латрункулина
Ученые воздействовали на клетки двумя разными ингибиторами:
Блеббистатин. Этот препарат отключает миозин — белок, работающий как мотор, который тянет актиновые нити. В результате, активность моторов упала, эффективная температура снизилась, а необратимость времени почти исчезла. Система приблизилась к равновесию.
Латрункулин-А. Этот препарат останавливает полимеризацию актина — процесс обновления «строительных лесов» клетки. И здесь данные показали нечто странное.
При воздействии Латрункулина скорость производства энтропии (мера рассеяния энергии) и необратимость времени резко упали. Клетка стала меньше тратить энергию на поддержание временной асимметрии. Однако эффективная температура осталась высокой.
Это означает, что клетка может быть «горячей» (сильно флуктуировать), но при этом ее движения становятся почти обратимыми во времени. Связь между температурой и стрелой времени оказалась разорвана.
Остановка моторов и обновления каркаса стирает стрелу времени. (a)-(b) «Кино» движения зонда: реальная запись колебаний во времени (a) и та же запись, прокрученная задом наперед (b). (c)-(d) Очищенные данные. Ученые убрали предсказуемые повторения из сигналов, чтобы оставить только случайный шум. Сравнение этого шума «вперед» и «назад» позволяет найти скрытую асимметрию времени. (e) Технический график автокорреляции. Он подтверждает, что после обработки данные стали «белым шумом» (случайным и независимым), что необходимо для корректности расчетов. (f) Распределения вероятностей. Синяя линия — прямой ход времени. Оранжевая линия — обратный ход. Если бы система была в равновесии, эти кривые совпали бы идеально. Их расхождение — это визуальное доказательство необратимости времени. (g) Итоговый результат: Мера необратимости времени (сигма) в зависимости от длительности наблюдения. Фиолетовые круги (Контроль): Высокие значения. В нормальной клетке время течет строго в одном направлении. Зеленые и желтые значки (Лекарства): Значения резко падают вниз. Вывод: При блокировке моторов (Блеббистатин) или обновления каркаса (Латрункулин), движения внутри клетки становятся почти симметричными во времени. Клетка начинает вести себя как неживая материя, теряя свою временнýю направленность. Статистические тесты подтверждают: это не случайность, а закономерность. arXiv:2503.17016 [physics.bio-ph]
Автор: N Narinder, Elisabeth Fischer-FriedrichИсточник: arxiv.org
Откуда берется разрыв?
Чтобы объяснить этот феномен, авторы исследования построили математическую модель. Они выяснили, что за разные показатели отвечают разные физические процессы.
Необратимость времени создается силовыми всплесками. Это те самые резкие рывки, когда группа моторов миозина синхронно тянет каркас клетки, вызывая сбой, после которого следует медленное восстановление. Именно форма этих всплесков (резкий подъем, плавный спуск) задает направление времени.
Эффективная температура определяется общим уровнем шума. Даже если убрать резкие всплески, в системе остается множество мелких активных процессов, которые раскачивают зонд.
Латрункулин делает кортекс более твердым и упругим. В такой среде амплитуда резких всплесков падает — они становятся менее заметными. Поэтому необратимость снижается. Но общий фон активного шума остается высоким, поддерживая высокую эффективную температуру.
Математическая модель, объясняющая физический парадокс. (a) Схема моделирования. Зонд микроскопа представлен как пружина с трением (красный блок), погруженная в «жидкость Джеффриса» (синий блок). Это математическое описание материала, который ведет себя одновременно и как вязкая жидкость, и как упругая резина — именно так работает живой кортекс клетки. (b) Компьютерная симуляция. Ученые загрузили параметры в компьютер и сгенерировали искусственные траектории движения. Верхний график: Имитация нормальной клетки (Контроль). Средний: Имитация воздействия Латрункулина (нет обновления каркаса). Нижний: Имитация воздействия Блеббистатина (нет моторов). Симуляция успешно воспроизвела характерные «рывки», которые видели в живой клетке. (c) Расчетная активность. График показывает среднюю подвижность зонда в виртуальной модели. Тренды (фиолетовый выше всех, зеленый и желтый ниже) полностью совпадают с реальным экспериментом на Рис. 2a. (d) Производство энтропии в модели. Этот график подтверждает теорию: математическая модель предсказывает снижение энтропии (необратимости времени) при обоих видах вмешательства. Это доказывает, что наблюдаемый в эксперименте разрыв между температурой и временем не случайность, а фундаментальное свойство системы. arXiv:2503.17016 [physics.bio-ph]
Автор: N Narinder, Elisabeth Fischer-FriedrichИсточник: arxiv.org
Почему одного числа недостаточно?
Результаты этого исследования меняют подход к изучению активной материи. Мы больше не можем использовать эффективную температуру как универсальный термометр живости системы.
Высокая температура не гарантирует, что система производит много энтропии или имеет выраженную стрелу времени. Это важное открытие для биологии. Живые системы могут регулировать свои параметры независимо: поддерживать высокий уровень механического шума (возможно, для облегчения транспорта веществ), но при этом минимизировать энергетические потери и необратимые деформации.
Хаос внутри клетки — это тонко настроенная система, где тепловой шум и направленное движение управляются разными рычагами. Попытка описать это одной цифрой ведет к ошибкам. Физика живого требует более точного описательного метода.
