Egy MIT-fizikus tengeri csillagok embrióiban keresi azokat az általános törvényeket, amelyek talán egyszer közös fizikai nyelven írhatják le az élő rendszerek működését.
A fizika legnagyobb eredményei közül sok abból született, hogy egy látszólag reménytelenül bonyolult rendszerben sikerült megtalálni néhány olyan általános mennyiséget és szabályt, amelyek mellett a mikroszkopikus részletek jelentős része már másodlagossá vált. Egy pohár vízben felfoghatatlanul sok molekula mozog, ütközik és cserél energiát egymással, mégsem kell valamennyi molekula pillanatnyi helyzetét és sebességét ismernünk ahhoz, hogy értelmesen beszéljünk a víz hőmérsékletéről, nyomásáról vagy arról, mikor fog megfagyni. Hasonló a helyzet a mágneses anyagokkal, a folyadékokkal vagy a kristályokkal is: mikroszkopikus szinten rendkívül sok részecske vesz részt a folyamatokban, nagyobb léptékben azonban megjelennek olyan kollektív tulajdonságok, amelyek saját törvényeket követnek. Innen adódik egy sokkal nehezebb kérdés: vajon ugyanezt meg lehet-e tenni az élő anyaggal is, vagyis létezhet-e olyan általános fizikai nyelv, amelyben nem kell minden egyes gént, fehérjét és biokémiai reakciót külön nyomon követnünk ahhoz, hogy megértsük, hogyan szerveződik egy sejt, hogyan mozog egy embrió, és hogyan alakul ki rendezett élő szervezet molekulák óriási sokaságából?
Nikta Fakhri, a Massachusetts Institute of Technology fizikusa éppen ezt a problémát próbálja megközelíteni, kutatásainak egyik legérdekesebb modellrendszere pedig a tengeri csillag, pontosabban annak korai embriója. Ez elsőre különös választásnak látszhat egy alapvetően fizikai kérdés vizsgálatához, a tengeri csillag fejlődése azonban szinte látványos demonstrációja annak, amit a fizikusok önszerveződésnek és szimmetriasértésnek neveznek: a petesejt kezdetben közel gömbszimmetrikus, vagyis nincs rajta olyan nyilvánvaló irány vagy szerkezet, amelyből közvetlenül kiolvasható lenne a későbbi állat formája, a fejlődés végére mégis kialakul az ötsugaras testszerkezet. A rendszer tehát a fejlődés során fokozatosan választja ki azokat az irányokat, tengelyeket és mintázatokat, amelyek korábban még nem léteztek, miközben sejtek millióinak mozgását, osztódását és alakváltozását kell összehangolnia.
A fizikus számára ebben az a különösen érdekes, hogy hasonló átmenetekkel az élettelen anyag világában is találkozunk. Egy mágneses anyagban például megfelelő körülmények között spontán kialakulhat egy kitüntetett mágneses irány, noha az alapvető fizikai törvények egyik irányt sem részesítik előnyben; egy folyadékban örvények jelenhetnek meg, egy kristály kialakulásakor pedig a rendezetlen folyadékból meghatározott geometriai szerkezet jöhet létre. Az embrió azonban lényegesen nehezebb probléma, mert nem passzív anyagról van szó: a sejtjei folyamatosan energiát fogyasztanak, molekuláris motorokat működtetnek, kémiai reakciókat hajtanak végre, ionokat mozgatnak, mechanikai erőket keltenek és folyamatosan átalakítják saját környezetüket. Az élő rendszer tehát nem egyszerűen bonyolultabb egy kristálynál vagy egy folyadéknál, hanem fizikailag alapvetően más helyzetben van, mert fennmaradásához állandó energiaáramlásra van szüksége.
Ez vezet az élet fizikájának egyik központi problémájához: az élő szervezetek egyensúlytól távoli rendszerek. A klasszikus termodinamika hatalmas sikereket ért el az egyensúlyban vagy annak közelében lévő rendszerek leírásával; ha például egy gázt bezárunk egy edénybe, idővel olyan állapotba jut, amelyben a nagy léptékű tulajdonságai már nem változnak jelentősen, és olyan mennyiségekkel jellemezhető, mint a hőmérséklet, a nyomás vagy az entrópia. Egy élő sejt ezzel szemben csak addig képes fenntartani bonyolult belső szerkezetét, amíg folyamatosan energiát vesz fel és használ fel, vagyis miközben kívülről rendezettnek és stabilnak látszik, belsejében állandó molekuláris forgalom zajlik: fehérjék épülnek és bomlanak le, membránok alakulnak át, ionpumpák működnek, molekuláris motorok mozgatják a sejtváz elemeit, és kémiai reakciók egész hálózata tartja távol a rendszert attól az egyensúlyi állapottól, amelybe energiaellátás nélkül végül eljutna.
Fakhri munkájának egyik fontos kiindulópontja ezért az volt, hogy meg lehet-e mérni ezt a folyamatos energiafelhasználást közvetlenül a sejt belsejének mozgásában. Korábbi kísérleteiben apró szén nanocsöveket követett élő emberi sejtekben, és azt vizsgálta, hogyan mozognak ezek a mikroszkopikus jelzők a sejt belsejében. A mozgás első ránézésre egyszerű Brown-mozgásnak tűnhetett volna, olyasminek, amit a környező molekulák véletlenszerű hőmozgása okoz, a részletes statisztikai elemzés azonban azt mutatta, hogy a fluktuációk jóval erősebbek annál, amit pusztán termikus eredetű mozgásból várnánk. A sejt belsejét tehát folyamatosan „felkavarják” az energiát fogyasztó molekuláris folyamatok, és ez azt jelenti, hogy a látszólag véletlenszerű mikroszkopikus mozgásban is ott marad az élet energiafelhasználásának fizikai nyoma.
Ennek különösen érdekes következménye az idő irányának kérdése, mert egy termikus egyensúlyban lévő mikroszkopikus rendszer rövid felvételéről sok esetben rendkívül nehéz eldönteni, hogy előre vagy visszafelé játsszuk-e le, egy aktív rendszer viszont energiát fogyaszt és hőt ad le, ezért statisztikai értelemben megkülönböztethetővé válhat múlt és jövő. Makroszkopikus méretekben ezt természetesnek vesszük: egy embrió fejlődik, egy sejt kettéosztódik, egy szervezet öregszik, és egy visszafelé lejátszott felvételen azonnal felismerjük a folyamat természetellenességét. Fakhri kutatásainak egyik mélyebb kérdése azonban az, hogy mennyire lehet ezt az időirányt egészen kis léptékben, a sejten belüli mozgások statisztikájában mérhetővé tenni, és vajon az egyensúlytól való eltérés mértéke kapcsolatba hozható-e az élő rendszer konkrét működésével.
A tengeri csillag embriója azért bizonyult különösen hasznosnak, mert fejlődése során a sejtekben jól megfigyelhető, nagy léptékű kémiai hullámok alakulnak ki. Amikor egy sejt osztódásra készül, nem elegendő egyszerűen „bekapcsolnia” az osztódást: pontosan meg kell határoznia, hol jöjjön létre az összehúzódási gyűrű, mikor kezdődjön az összehúzódás, és hogyan legyenek összehangolva azok a molekuláris folyamatok, amelyek végül két külön sejtté választják az eredetit. Ebben fontos szerepet játszik a Rho nevű jelátviteli fehérjecsalád, amelynek aktivitása nem marad egyetlen helyre bezárva, hanem hullámokként terjedhet végig a sejt felszínén, így a mikroszkopikus molekuláris eseményekből sejtméretű térbeli mintázat jön létre.
Amikor Fakhri és munkatársai ezeket a hullámokat matematikailag elemezték, olyan különleges pontokat találtak bennük, ahol a hullám fázisa nem határozható meg a megszokott módon. A fizika nyelvén ezek topológiai hibák, illetve szingularitások, amelyek azért különösen érdekesek, mert nem egyszerű szabálytalanságként viselkednek, hanem jól meghatározható matematikai tulajdonságuk, úgynevezett topológiai töltésük van. A hullám egyik irányú körbefordulása például +1, az ellenkező irányú pedig −1 töltéssel jellemezhető, és bár ezek természetesen nem valódi elektromos töltések, a hozzájuk tartozó objektumok meglepően részecskeszerű viselkedést mutathatnak: ellentétes töltésű párok jelenhetnek meg, mozoghatnak a sejt felszínén, majd találkozásukkor megsemmisíthetik egymást.
Ez azért jelentős, mert ugyanilyen matematikai fogalmakkal találkozunk egymástól látszólag teljesen különböző fizikai rendszerekben, például folyadékok örvényeiben, folyadékkristályok hibáiban, mágneses anyagokban vagy különböző hullámmezőkben. Ha pedig egy élő sejtben terjedő biokémiai hullámok szintén ilyen topológiai objektumokat hoznak létre, akkor lehetőség nyílik arra, hogy a biológiai folyamat egy részét ne minden egyes molekula történetének felsorolásával, hanem néhány kollektív fizikai változóval írjuk le. Fakhri csoportjának vizsgálatai arra utalnak, hogy ezek a hibák kapcsolatban állhatnak a sejten belül létrejövő mechanikai erőkkel is, vagyis a fehérjék aktivitásának hullámai, a topológiai szerkezet és a sejt alakváltozása ugyanannak a folyamatnak különböző léptékű megjelenései lehetnek.
A tengeri csillagok azonban még érdekesebb viselkedést mutatnak, amikor már nem egyetlen sejt belsejét, hanem sok fejlődő embriót vizsgálunk egyszerre. Az embriók felszínét apró csillók borítják, amelyek összehangolt mozgásukkal áramlást keltenek a vízben, ez pedig nemcsak az egyes embriókat mozgatja és forgatja, hanem azt is jelenti, hogy az egymáshoz közel kerülő embriók a folyadékon keresztül kölcsönösen hatni kezdenek egymásra. Fakhri laboratóriumában azt figyelték meg, hogy megfelelő körülmények között ezek a forgó embriók szabályos csoportokba rendeződnek a vízfelszínen, miközben az egész rendszer olyan rendezett mintázatot hoz létre, amely bizonyos szempontból kristályra emlékeztet, csakhogy a kristály „atomjai” ebben az esetben saját energiát fogyasztó, mozgó és forgó élő embriók.
A kutatók ezért élő királis kristálynak nevezték ezt az állapotot. A kiralitás itt azt jelenti, hogy a forgás két lehetséges iránya már nem egyenértékű, vagyis a rendszer egy újabb szimmetriát tör meg, és amikor a kutatók matematikailag eltávolították a teljes kristály forgását a megfigyelt mozgásból, kiderült, hogy a szerkezet belsejében hosszú ideig fennmaradó mechanikai rezgések és hullámok is jelen vannak. Ezek nem olyan rezgések, mint egy meglökött inga fokozatosan elhaló mozgása, mert az embriók folyamatosan energiát juttatnak a rendszerbe, így maga az élő anyag tartja fenn a kollektív dinamikát.
Itt kapcsolódik össze a tengeri csillagok biológiája az aktív anyagok fizikájának egyik újabb területével, amely olyan rendszereket vizsgál, amelyek elemei saját energiaforrással rendelkeznek. Egy baktérium, egy úszó sejt vagy egy forgó embrió nem passzív részecske: energiát használ fel ahhoz, hogy mozogjon, miközben megváltoztatja környezetét, ez a változás pedig visszahat a körülötte lévő többi elemre. Emiatt a közöttük kialakuló effektív kölcsönhatások nem feltétlenül olyan kölcsönösek, mint amilyeneket a legegyszerűbb mechanikai rendszerekben megszoktunk; az egyik komponens más módon hathat a másikra, mint ahogyan a másik visszahat rá, mert a rendszer minden eleme folyamatosan energiát vesz fel és ad át a környezetének.
Az ilyen nemreciprok kölcsönhatások leírására az utóbbi években megjelent az úgynevezett odd matter, vagyis nagyjából „páratlan anyag” fizikája, amelynek elméleti modelljei azt mutatják, hogy egy aktív rendszer olyan tartós mozgásokat és oszcillációkat is létrehozhat, amelyek passzív anyagban külső energiaforrás nélkül nem maradhatnának fenn. A tengeri csillagembriók rendezett csoportjaiban megfigyelt rezgések azért váltak különösen érdekessé, mert valódi biológiai rendszerben mutattak meg olyan viselkedést, amelyet korábban az aktív és nemreciprok anyagok elméleti modelljei alapján vártak.
Mindez azonban nem jelenti azt, hogy sikerült megtalálni az „élet egyenletét”, és Fakhri kutatásának jelentősége sem abban áll, hogy néhány fizikai fogalommal helyettesítené a biológia molekuláris részleteit. Sokkal érdekesebb lehetőség körvonalazódik: elképzelhető, hogy a gének, fehérjék és kémiai reakciók részletes leírása fölött létezik egy másik szint, ahol az élő rendszerek bizonyos tulajdonságai általános fizikai mennyiségekkel írhatók le, hasonlóan ahhoz, ahogyan a hőmérséklet vagy a nyomás is rengeteg mikroszkopikus részecske mozgásából születik meg, mégis önálló és rendkívül hasznos fogalommá válik.
Ez lenne az élet fizikai nyelvének egyik legfontosabb célja: megtalálni azokat a kollektív változókat, amelyek összekötik a molekuláris energiafelhasználást a sejtek mozgásával, a sejtek mozgását a szövetek szerveződésével, végül pedig mindezt az élőlény tényleges biológiai működésével. Ha például egyszer meg lehetne mondani, hogy egy adott sejtes funkció fenntartásához mekkora energiaáramlás, milyen mértékű időbeli irreverzibilitás vagy milyen típusú kollektív szerveződés szükséges, akkor olyan általános összefüggésekhez juthatnánk, amelyek nem egyetlen fajra vagy egyetlen molekulára érvényesek, hanem az élő anyag szélesebb osztályára.
Ebben rejlik Fakhri tengeri csillagokkal végzett munkájának legmélyebb kérdése is. Az élet atomjai önmagukban nem különlegesek: ugyanaz a szén, hidrogén, oxigén, nitrogén és számos más elem található bennünk, amely az élettelen anyagban is jelen van, ezért az élő és az élettelen közötti különbséget nem egyszerűen az alkotóelemek listájában kell keresnünk. A döntő különbség sokkal inkább abban lehet, ahogyan ezek az alkotóelemek energiát áramoltatnak, információt továbbítanak, mechanikai erőket hoznak létre, egymással együttműködve térbeli és időbeli mintázatokat alakítanak ki, majd ezeket a mintázatokat folyamatos energiafelhasználással fenn is tartják.
A tengeri csillagembriók ezért egy jóval általánosabb problémába engednek bepillantást. Egyetlen fejlődő embrióban egyszerre jelennek meg kémiai hullámok, topológiai hibák, mechanikai erők, szimmetriasértések és folyamatos energiaáramlások, sok embrió együtt pedig már olyan kollektív állapotot alkothat, amelynek tulajdonságai egyik résztvevőből külön-külön sem következnek egyszerűen. Ha sikerül megérteni, hogyan kapcsolódnak egymáshoz ezek a különböző szintek, akkor közelebb kerülhetünk ahhoz, hogy az életet ne kizárólag rendkívül összetett kémiai reakcióhálózatként lássuk, hanem az anyag egy különleges, folyamatosan hajtott és önszerveződő állapotaként is.
Talán ezért az élet fizikájának egyik legfontosabb kérdése végül nem az lesz, hogy miből készül az élet, hiszen az alkotóelemeit már meglehetősen jól ismerjük, hanem az, hogy mit csinál az anyag akkor, amikor él. Hogyan képes tartós rendet létrehozni úgy, hogy közben folyamatosan változik; hogyan használja fel az energiát ahhoz, hogy távol maradjon a termodinamikai egyensúlytól; hogyan alakít át molekuláris folyamatokat sejtméretű mozgássá, majd ezekből szervezetszintű struktúrát; és vannak-e mindezek mögött olyan általános fizikai törvények, amelyek ugyanúgy érvényesek lehetnek egy tengeri csillag embriójára, egy baktériumtelepre vagy egy soksejtű szervezet fejlődő szövetére.
Erre ma még nincs kész elméletünk. A tengeri csillagok mikroszkóp alatt forgó embriói azonban azt mutatják, hogy az élő anyag látszólag kaotikus részletei mögött valóban felismerhetők olyan mintázatok, amelyeket a fizika más területeiről ismert matematikai fogalmakkal lehet megragadni. Ha pedig ezekből a mintázatokból idővel általános törvények rajzolódnak ki, akkor az élet megértéséhez a genetika és a molekuláris biológia mellett egy újabb nyelvre is szükségünk lehet: az egyensúlytól távol működő, önmagát szervező anyag fizikájára.
Forrás: Charlie Wood: Starfish Whisperer Develops a Physical Language of Life, Quanta Magazine
