Загрузка...
Поддержи Openmeetings

среда, 22 августа 2012 г.

Человеческое тело растет по тем же законам, что и горка песка

Биологи давно задавались вопросом, почему наши органы растут с одинаковой скоростью. Физики-теоретики предположили, что в данном случае действуют те же закономерности, что и при увеличении горки песка.

Пока человек из младенца становится взрослым, вес его тела увеличивается примерно в 30 раз. Слон за время роста становится больше в 100 раз.

Биологи знают, что все внутренние органы растут почти с одинаковой скоростью. На первый взгляд, такой пропорциональный рост объясняется тем, что он контролируется химическими регуляторами — гормонами, промоутерами, ингибиторами и так далее. Регуляторы, в свою очередь, контролируются различными генами.

Но это вряд ли корректное объяснение. Скорости реакции, связанные с этими химическими веществами, могут сильно отличаться у разных клеток. Если бы не было какого-то организующего принципа для всего тела, разброс в росте по всему телу был бы гораздо больший, чем это наблюдается. Но что это за принцип?

Тридиб Садху из Института Вейцмана в Израиле и Дипак Дхар из Института фундаментальных исследований Тата в Мумбаи выдвинули интересную идею.

Они указывают, что пропорциональный рост может быть примером самоорганизации, характерной для различных природных систем. А именно того типа самоорганизации, которую можно наблюдать у насыпаемой горки песка.

Садху и Дхар изучили определенную математическую модель роста, известную как абелева модель кучи песка. Эта виртуальная матрица состоит из участков, каждый из которых может вмещать до трех песчинок. Добавление четвертой песчинки вызывает лавину, которая переносит четыре песчинки на четыре соседних участка.

По модели с каждым шагом во времени в определенном месте добавляется одна песчинка — и лавина не прекращает свое движение.

Что примечательно в этой модели — после нескольких тысяч временных шагов появляются сложные симметричные узоры. На иллюстрации — картина после 50.000, 200.000 и 4000.000 шагов во времени.

Точная форма шаблона и его симметрия зависит от распределения песчинок в начале, но все модели имеют одно замечательное свойство. «Шаблоны состоят из крупных различимых структур с резкими границами, которые растут с одинаковой скоростью, сохраняя свои общие формы неизменными», — говорят Садху и Дхар. Это тот самый пропорциональный рост, который хотели бы понять биологи.

Садху и Дхар предполагают, что и органы могут расти подобным образом, так как деление клеток, в конечном счете, определяются внешними ресурсами — продуктами питания и снабжением энергией. «Наша модель учитывает, что процесс деления клетки протекает при некоторых пороговых условиях: он не начнется, пока нет достаточных ресурсов», — говорят исследователи.

Есть и еще одно интересное сходство.

Одним из важных свойств пропорционального роста в биологии является то, что он удивительно устойчив к внешним шумам. Садху и Дхар проверяли влияние различного типа шумов на модель и утверждают, что она в высокой степени устойчива к небольшим случайным изменениям на тех участках, где песчинки добавляются, и к шумам в начальном распределении песка. Модель становится неустойчивой только при изменении правил, которые управляют тем, как песчинки перераспределяются на каждом шаге во времени.

Ещё одной интересной особенностью модели кучи песка является симметрия, которая возникает. Возможным направлением будущей работы может стать поиск связи с возникновением двусторонней симметрии в биологии. Ведь когда млекопитающие растут, они сохраняют подобную симметрию с погрешностью в несколько процентов.

technologyreview

3 комментария :

Отправить комментарий