Mô hình mới có thể dẫn đến việc hiểu sâu hơn các quá trình sinh học

Nhóm nghiên cứu của Ramin Golestanian (ó đỏ), giám đốc Viện nghiên cứu Động lực học và tự tổ chức Max Planck.

Họ đã mở rộng một khung lý thuyết mà cho đến nay vẫn chỉ đúng với những vật chất không sống. Ngoài những kẻ săn mồi và con mồi, những cơ thể sống khác như các enzyme hay các tế bào tự tổ chức khác có thể được mô hình này miêu tả. Kết quả nghiên cứu đã được họ xuất bản trên Physical Review X"Scalar Active Mixtures: The Nonreciprocal Cahn-Hilliard Model".

Trật tự không phải bao giờ cũng là thứ người ta phát hiện ra từ cái nhìn đầu tiên. Nếu anh chạy với một bầy chó sói săn hươu, các chuyển động có thể như rối loạn. Dẫu vậy nếu cuộc săn này được quan sát từ một cái nhìn của một con chim và diễn ra suốt một quãng thời gian đáng kể, các mẫu hình trở nên rõ ràng trong chuyển động của các con vật. Trong vật lý, hành xử nhiêu khi được coi là trật tự nhưng trật tự đó xuất hiện như thế nào? Khoa Vật lý của các vật chất sống trong viện của Ramin Golestanian là để tập trung tìm hiểu câu hỏi này và nghiên cứu các quy luật vật lý kiểm soát chuyển động của các hệ sống hoặc hệ hoạt động. Mục tiêu của Golestanian là để phát hiện những đặc tính phổ quát của vật chất sống và vật chất hoạt động. Điều này không chỉ phù hợp với những có thể sống lớn như kẻ săn mồi và con mồi mà còn đúng với cả vi khuẩn, các protein động cơ cũng như các hệ nhân tạo như vi robot. “Khi chúng tôi miêu tả một nhóm gồm các hệ hoạt động trên những khoảng cách vô cùng lớn và trong những quãng thời gian rất dài, các chi tiết cụ thể của các hệ đó mất đi tầm quan trọng. Sự phân bố tổng thể của chúng trong vũ trụ cuối cùng trở thành đặc điểm mang tính quyết định”, Golestanian giải thích.

Từ không sống đến hệ thống sống

Nhóm nghiên cứu do ông dẫn dắt tại Göttingen gần đây đã thực hiện một nghiên cứu mang tính đột phá trong việc miêu tả vật chất sống. Để đạt được điều này, Suropriya Saha, Jaime Agudo-Canalejo và Ramin Golestanian đã bắt đầu với việc miêu tả hành xử của vật chất không sống được biết đến rộng rãi và mở rộng nó. Điểm chính yếu là tìm hiểu sự khác biệt cơ bản giữa vật chất sống và không sống. Tương phản với vật chất thụ động, không sống, vật chất sống, hoạt động có thể tự chuyển động. Các nhà vật lý đã sử dụng phương trình Cahn-Hilliard để miêu tả cách các vật chất không sống hòa trộn như một nhũ tương của dầu ăn và nước riêng biệt.

Đặc điểm được phát triển trong những năm 1950 đó được coi là mô hình chuẩn của tách pha. Nó được dựa trên nguyên tắc “có đi có lại”, ăn miếng trả miếng. Dầu ăn đẩy nước theo cùng cách nước đẩy dầu. Tuy vậy, điều này không luôn luôn xảy ra trong tường hợp của vật chất sống hoặc các hệ sống. Một vật sẵn mồi theo đuổi con mồi của mình, trong khi con mồi cố gắng chạy trốn khỏi kẻ săn mồi. Chỉ thời gian gần đây, người ta mới chứng tỏ được là có tồn tại hành xử không có đi có lại ngay cả trong chuyển động của những hệ nhỏ nhất như các enzyme. Các enzyme có thể tập trung một cách đặc biệt vào các khu vực đơn tế bào - thi thoảng là điều cần thiết cho nhiều quá trình sinh học. Sau khám phá này, các nhà nghiên cứu Göttingen tìm hiểu việc tích lũy một lượng lớn các enzyme có hành xử khác nhau như thế nào. Chúng có thể trộn lẫn với nhau hay hình thành các nhóm? Các đặc tính mới và chưa từng thấy bao giờ sẽ có thể xuất hiện? Với mục tiêu trả lời những câu hỏi này, nhóm nghiên cứu sẽ phải thiết lập kế hoạch làm việc.

Các sóng xuất hiện một cách đột nhiên

Nhiệm vụ đầu tiên là thay đổi phương trình Cahn-Hilliard để đưa các tương tác không có đi có lại vào bởi vì phương trình này chỉ miêu tả các hệ không sống, sự có đi có lại của những tương tác thụ động nằm ẩn sâu đằng sau cấu trúc của nó. Do đó, từng quá trinh được phương trình miêu tả kết thúc ở trạng thái cân bằng nhiệt động lực học. Nói theo cách khác, cuối cùng mọi bên đều rơi vào trạng thái nghỉ ngơi. Sự sống, dẫu sao, ở bên ngoài trạng thái cân bằng nhiệt động lực học. Sở dĩ có điều này là bởi các hệ sống không còn giữ nguyên trạng thái nghỉ ngơi mà sử dụng năng lượng trong trật tự để đạt được điều gì đó (ví dụ tái sản xuất chính mình). Suropriya Saha và cộng sự của mình đã tính đến hành xử này bằng việc mở rộng phương trình Cahn-Hilliard bằng một tham số có thể đặc tính hóa các hành động không có đi có lại. Theo cách này, họ có thể miêu tả được các quá trình khác biệt với các quá trình thụ động ở bất kỳ mở rộng nào.

Saha và cộng sự đã sử dụng các mô phỏng máy tính để nghiên cứu các hiệu ứng của những biến đổi bước đầu. “Thật đáng ngạc nhiên, ngay cả những hành xử không có đi có lại tối thiểu cũng dẫn đến những sai khác cơ bản với hành xử của các hệ thụ động”, Saha nói. Ví dụ, các nhà nghiên cứu quan sát sự hình thành của các sóng di chuyển trong một dạng hỗn hợp của hai dạng khác nhau của các hạt. Trong hiện tượng này, các dải của một thành phần “theo đuổi” các dải của hợp phần khác, do đó dẫn đến một mẫu hình của những sọc chuyển động. Thêm vào đó, các lưới phức hợp có thể hình thành trong các hỗn hợp hạt, trong đó các cụm nhỏ của một hợp phần có thể theo đuổi các nhóm của hợp phần khác.

Với công trình nghiên cứu của mình, các nà nghiên cứu hi vọng sẽ đóng góp vào sự tiến triển khoa học trong cả hai lĩnh vực vật lý và sinh học. Ví dụ, mô hinh mới có thể miêu tả và dự đoán hành xử của các tế bào, vi khuẩn hay enzyme khác nhau. “Chúng tôi đã dạy một con chó trưởng thành những trò mới với mô hình này”, Golestanian nói. “Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy vật lý có thể đem lại hiểu biết cho chúng ta về sinh học và những thách thức đặt ra khi nghiên cứu vật chất sống mở ra một con đường mới cho nghiên cứu cơ bản trong vật lý”.