'Бабушка, почему у тебя такие большие уши?' - один из самых известных вопросов в литературе, конечно же, заданный Красной Шапочкой, когда она нерешительно наблюдает за волком, одетым в одежду ее бабушки. Если бы Красная Шапочка была физиком, она вполне могла бы спросить: «Бабушка, почему у вас два уха одинаковой длины?» Ученые знали об этой «проблеме длины» в течение долгого времени, но большую часть двадцатого века на нее не обращали внимания. Роберт Б. Лафлин, получивший Нобелевскую премию по физике в 1998 г., написал интересную статью на эту тему. В «Критических волнах и проблеме длины в биологии» Лафлин утверждает, что в течение длительного периода времени не было достигнуто значительного прогресса в понимании того, как организмы регулируют свою длину. Он предположил, что живые существа могут определять свои размеры и что, получив эту информацию, они могут реагировать соответствующим образом - например, прекращая расти свои руки или ноги, как только эти конечности достигают своего «желаемого» размера.
Физики из Саарского университета подхватили эти идеи и разработали математическую модель, которую можно использовать для описания того, как биологические системы могут измерять свою длину. Аспирант Фредерик Фольц, который затронул эту проблему в своей магистерской диссертации, теперь опубликовал результаты в высокорейтинговом журнале Physical Review E в статье, написанной в соавторстве с Джованной Мориги, профессором теоретической квантовой физики, и Карстеном Крузом, профессором теоретической квантовой физики. Биологическая физика и Лукас Веттманн, аспирант группы Крузе.
В качестве модельной системы ученые выбрали изучение аксонов. Аксоны являются ключевыми компонентами нервных клеток (нейронов). Аксоны действуют как связующее звено между нервными клетками и позволяют передавать электрические сигналы от одного нейрона к другому. Поскольку длина аксона может варьироваться от нескольких микрометров до нескольких метров, у организмов, очевидно, должны быть какие-то средства контроля того, как долго должны расти определенные аксоны. «Нам удалось разработать модель механизма, объясняющего, как организм может делать именно это. Модель не только объясняет, как нейроны могут определять свою собственную длину, ее также можно обобщить на другие биологические системы», - объясняет Фредерик Фольц.
Химические сигнальные молекулы, которые регулируют рост в биологических системах, ведут себя следующим образом: «Молекулы распространяются по системе в виде химических волн, пока не достигают конца аксона», - говорит Фольц. Если частота, с которой эта «молекулярная волна» возвращается в точку своего происхождения, высока, биологическая структура, через которую прошла волна, коротка; если частота такого цикла низкая, то химическому веществу потребовалось больше времени, чтобы вернуться, и структура соответственно большая. Молекуле требуется меньше времени, чтобы пройти несколько микрометров внутри бактерии, чем для перемещения от корня к кроне дуба. Физики описали этот механизм с помощью математической модели.
Исследователи предполагают, что биологическая система, такая как дерево, человек или клетка, может «измерять» частоту этих циклов и, следовательно, может определять и, следовательно, контролировать длину, скажем, листа или нога.
Их работа может иметь фундаментальное значение для будущих исследований различных заболеваний. «Наша модель также может быть использована в электронной промышленности для регулирования различных физических величин», - говорит Фольц. Модель также включает элементы, которые могут описывать динамику Интернета и, в более общем плане, других искусственных сетей и вполне могут стать основой для дальнейших разработок и улучшений в этих областях.