Физики из США теоретически объяснили, почему в массиве микротрубочек, погруженных в раствор кинезина и АТФ, возникают метахрональные волны. Построенная учеными модель явно учитывает силы, действующие на трубочки, и согласуется с результатами ранее проведенных экспериментов.

В общих чертах, волны возникают из-за гидродинамических эффектов, связывающих движение соседних трубочек. Статья опубликована Physical Review Fluids, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Если присмотреться к ползущей многоножке, то можно заметить, что по ее лапкам бежит волна из последовательных сжатий и разрежений. Разумеется, в действительности лапки остаются на месте, а мнимое движение возникает из-за запаздывания задних лапок относительно передних.

В этом смысле движение многоножки напоминает волну, которую болельщики запускают по стадиону. Единственное отличие заключается в том, что многоножка не просто машет лапками, а отталкивается ими от поверхности, поэтому в целом движется с места.

Разумеется, многоножка и волна болельщиков — это далеко не единственные примеры движения, которое ученые называют метахрональным. Точно такие же волны можно разглядеть в движении гребневиков, мидий, червей и даже одноклеточных организмов (протистов в целом и инфузорий в частности).

Более того, на микроскопическом уровне роль метахрональных волн значительно возрастает — в частности, они увеличивают подвижность одноклеточных организмов и помогают выводить слизь из органов более сложных существ. Как правило, нарушение работы ресничек приводит к серьезным последствиям для организма, особенно если нарушение вызвано мутациями генов (в частности, в результате такого нарушения может развиться гидроцефалия).

К сожалению, ученые до сих пор плохо понимают, как реснички работают на таких масштабах, хотя и предполагают, что метахрональное движение связано с гидродинамическими эффектами. Относительным прорывом в этой области можно считать эксперименты группы Тимоти Санчеса (Timothy Sanchez), в которых удалось искусственно воспроизвести метахрональные движения ресничек на примере простой системы. В этих экспериментах физики исследовали плотные массивы микротрубочек (длиной от 10 до 100 микрометров), жестко приклеенных к подложке. Помещая микротрубочки в раствор, содержащий кинезин и АТФ, ученые заставляли их воспроизвести движение настоящих ресничек. Тем не менее, объяснить это движение исследователи не смогли.

В новой работе группа ученых под руководством Джошуа Дойча (Joshua Deutsch) разработала теоретическую модель, которая объясняет поведение микротрубочек в эксперименте Санчеса.