Wij mensen zijn misschien wel meer van het universum dan we ons hadden voorgesteld. Volgens een studie gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review C hebben neutronensterren en celcytoplasma iets gemeen: structuren die lijken op garages met meerdere verdiepingen. In 2014 onderzochten fysicus Greg Huber en collega's van zachte gecondenseerde materie de biofysica van deze vormen - spiralen die gelijkmatig verdeelde platen met elkaar verbinden - in het endoplasmatisch reticulum. Huber en zijn collega's noemden ze Terasaki Ramps, naar hun ontdekker Mark Terasaki, een celbioloog aan de Universiteit van Connecticut.
Huber dacht dat deze "parkeergarages" uniek waren voor zachte materie (zoals de binnenkant van cellen), totdat hij het werk tegenkwam van kernfysicus Charles Horowitz van de Indiana State University. Met behulp van computersimulaties vonden Horowitz en zijn team soortgelijke vormen diep in de korst van neutronensterren.
"Ik belde Chuck en vroeg of hij wist dat we zulke structuren in cellen zagen, en bedacht een model voor ze", zegt Huber, adjunct-directeur van het Kavli Institute for Theoretische Fysica aan de Universiteit van Californië, Santa Barbara. "Dit was nieuws voor hem, dus ik besefte dat we een vruchtbare samenwerking konden hebben."
Als resultaat van hun gezamenlijke werk, zoals opgemerkt in Physical Review C, onderzochten ze de relatie tussen twee totaal verschillende materiemodellen.
Kernfysici hebben een zeer precieze terminologie voor de hele klasse van figuren die ze waarnemen in hun computermodellen van neutronensterren: nucleaire pasta. Het bestaat uit buizen (spaghetti) en parallelle vellen (lasagne), verbonden door spiraalvormen, die doen denken aan de Terasaki-hellingen.
"Ze observeren de vormen die we in de cel zien", legt Huber uit. “We zien een buisvormig netwerk, we zien parallelle platen. We zien platen die onderling verbonden zijn door topologische defecten, die we Terasaki-ramps noemen. Daarom zijn de parallellen erg diep."
Promotie video:
Niettemin is hun fysica anders. Gewoonlijk wordt een stof gekenmerkt door zijn fase, een toestand die afhankelijk is van thermodynamische variabelen: dichtheid (of volume), temperatuur en druk - factoren die aanzienlijk verschillen op nucleair en intracellulair niveau.
"Voor neutronensterren vormen sterke nucleaire en elektromagnetische krachten een kwantummechanisch probleem", legt Huber uit. - In het inwendige van de cel zijn de krachten die de membranen bij elkaar houden fundamenteel entropisch en houden verband met het minimaliseren van de totale vrije energie van het systeem. Op het eerste gezicht zijn dit totaal verschillende dingen."
Een ander verschil is de schaal. In het nucleaire geval zijn deze structuren gebaseerd op nucleonen zoals protonen en neutronen, en deze bouwstenen worden gemeten met femtometers (10-15). In het geval van intracellulaire membranen wordt de schaallengte gemeten in nanometers (10-9). Het verschil tussen hen is vrij groot (10-6), maar tegelijkertijd hebben ze dagen en dezelfde vormen.
"Dit betekent dat er iets diepers is dan we begrijpen over het modelleren van een nucleair systeem", zegt Huber. "Als je een dichte verzameling protonen en neutronen hebt, zoals op het oppervlak van een neutronenster, combineren sterke nucleaire krachten en elektromagnetische krachten je in fasen van materie die je niet kunt voorspellen door naar kleine verzamelingen neutronen en protonen te kijken."
De gelijkenis van structuren prikkelde theoretische fysici en kernfysici. Martin Savage kwam bijvoorbeeld grafieken tegen van een nieuw werk op arXiv en raakte erg geïnteresseerd. "Ik was zeer verrast dat een dergelijke toestand zich voordoet in biologische systemen", zegt Savage, een professor aan de Universiteit van Washington. 'Daar is zeker iets mee.' Bovendien is de gelijkenis ook erg mysterieus. Dit is nog maar het begin.
ILYA KHEL
