پیوند کیهانی: شباهت سلول‌های انسان به ستارگان نوترونی

* دانشمندان به وجود یک همانندی میان ستارگان نوترونی و یاخته‌های (سلول‌های) بدن انسان پی برده‌اند.

ما انسان‌ها شاید بیش از چیزی که فکر می‌کردیم با جهان هستی همتراز باشیم. بر پایه‌ی پژوهشی که گزارش آن در نشریه‌ی "فیزیکال ریویو سی" منتشر شده، ستارگان نوترونی و درون‌یاخته‌ی (سیتوپلاسم) یاخته انسان در یک چیز مشترکند: در ساختارهایی که مانند پارکینگ‌های طبقاتی هستند.
در سال ۲۰۱۴، گرگ هوبر، استاد فیزیک ماده‌ی چگال نرم در دانشگاه سانتا باربارای کالیفرنیا به همراه همکارانش زیست‌فیزیکِ چنین ساختارهایی (رشته‌های مارپیچی که دسته‌هایی از ورقه‌ها را با فاصله‌ی یکسان به هم پیوند داده‌اند) را در یک اندامک یاخته‌ای به نام شبکه‌ی در میان‌یاخته‌ای (ER) بررسی کردند. هوبر و همکارانش این رشته‌های مارپیچ را پیچه‌های تراساکی نامیدند (Terasaki ramps) -برگرفته از نام یابنده‌شان، مارک تراساکی، یک زیست‌شناس یاخته‌ای در دانشگاه کنکتیکت.

هوبر فکر می‌کرد این "پارکینگ‌های طبقاتی" منحصر به ماده‌ی نرم هستند (مانند درون یاخته‌ها). تا این که به طور شانسی به پژوهشی که فیزیکدان هسته‌ای، چارلز هاروویتس از دانشگاه ایندیانا انجام داده بود برخورد. هاروویتس و گروهش با بهره از شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای، همین شکل‌ها را در ژرفای پوسته‌ی ستارگان نوترونی یافته بودند.

هوبر که معاون مدیر بنیاد فیزیک نظری کاولی (KITP) در دانشگاه سانتا باربارا هم هست می‌گوید: «من با چاک تماس گرفتم و از او پرسیدم آیا می‌دانسته که ما هم چنین ساختارهایی را در یاخته‌ها دیده‌ و مدلی از آنها پدید آورده‌ایم؟ او چنین چیزی برایش تازگی داشت و اینجا بود که من فهمیدم همکاری‌های پرباری می‌توانیم با هم انجام دهیم.»

همکاری میان این دو گروه -که گزارشش در فیزیکال ریویو سی ارائه شده- به بررسی پیوند میان این دو گونه ماده‌ی بسیار متفاوت می‎پرداخت.

فیزیکدانان هسته‌ای برای کل رده‌ی ساختارهایی که در شبیه‌سازی‌های پیشرفته‌ از ستارگان نوترونی می‌بینند یک اصطلاح مناسب به کار می‌برند: پاستای هسته‌ای. این پاستاها مانند لوله‌ (اسپاگتی) و ورقه‌های موازی (لازانیا) هستند که به شکلی مارپیچی به هم پیوسته‌اند -ساختارهایی مانند پیچه‌های تراساکی. [در همین وبلاگ خواندید: * پاستای هسته ای در ستارگان نوترونی]

هوبر توضیح می‌دهد: «آنها دسته‌ای از ساختارها مانند چیزی که ما در یاخته می‌بینیم دیده‌اند. ما هم یک شبکه‌ی لوله‌ای را می‌بینیم؛ ما هم ورقه‌هایی همراستا (موازی) می‌بینیم. ما ورقه‌هایی را می‌بینیم که با نقص‌های توپولوژیکی به هم پیوسته‌اند، چیزی که آن را پیچه‌های تراساکی می‌نامیم. پس همانندی‌ها بسیار زیاد است.»

با این وجود، تفاوت‌هایی هم می‌توان در فیزیک پایه‌ی آنها یافت. به طور معمول، مواد با حالت‌هایشان توصیف می‌شوند، که آن هم بستگی به متغیرهای ترمودینامیکی -چگالی (یا حجم)، دما، و فشار- دارد، عواملی که در مورد هسته‌ی اتم با مورد میان‌یاخته‌ای به شدت متفاوت است.

هوبر می‌گوید: «در ستارگان نوترونی، نیروی هسته‌ای قوی و نیروی الکترومغناطیسی چیزی را پدید می‌آورند که از نظر بنیادی یک موضوع مکانیک کوانتومی است. در یاخته‌ها، نیروهایی که پوسته‌های (غشاهای) یاخته را کنار هم نگه‌می‌دارد از نظر بنیادی انتروپیک هستند و به کمینه‌سازی انرژی آزاد کلی سامانه ربط دارند. در نگاه نخست، تنها تفاوت این دو سامانه همین است.»

تفاوت دیگری که وجود دارد مقیاس است. در مورد هسته‌ای، ساختارها بر پایه‌‌ی ذرات هسته‌ای مانند پروتون‌ها و نوترون‌ها هستند و اندازه‌ی این ذرات هم با یکای فمتومتر (۱۰ به توان ۱۵-) سنجیده می‌شود، در حالی که برای پوسته‌های میان‌یاخته‌ای مانند ER، یکای نانومتر (۱۰ به توان ۹-) به کار می‌رود. نسبت این دو یک میلیون است (۱۰ به توان ۶-). این دو سامانه با وجود چنین تفاوت بزرگی ، ساختارهایی هم-شکل پدید می‌آورند.

هوبر می‌گوید: «این به معنای وجود چیزی ژرف است که ما برای مدل‌سازی از سامانه‌ی هسته‌ای از آن سر در نمی‌آوریم. در توده‌ی چگال و فشرده‌ای از پروتون‌ها و نوترون‌ها، مانند چیزی که روی سطح ستارگان نوترونی داریم، نیروی هسته‌ای قوی و نیروهای الکترومغناطیسی دست به دست هم داده و حالت‌هایی از ماده را پدید می‌آورند که نمی‌توانیم با نگاه کردن به اثر این نیروها روی دسته‌های کوچک پروتون و نوترون آن حالت‌ها را پیش‌بینی کنیم. [چیزی که در اثر نیروهای هسته‌ای قوی و الکترومغناطیسی در توده‌های بزرگ نوترون و پروتون پدید می‌آید با چیزی که در اثر این نیروها در دسته‌های کوچک پروتون و نوترون پدید می‌آید بسیار متفاوت است]»

همانندی ساختارهای ستارگان نوترونی و یاخته‌ها توجه فیزیکدانان نظری و هسته‌ای را به یک اندازه جلب کرده. فیزیکدان هسته‌ای، مارتین سَوج در KITP که بود نمودارهایی را در نشریه‌ی arXiv یافت. arXiv کنابخانه‌‌ای از هزاران پژوهشنامه‌ی پیش از چاپ در رشته‌های فیزیک، ریاضی و دانش رایانه است. وی بی‌درنگ به موضوع علاقمند شد.

سوج که استاد دانشگاه واشنگتن است می‌گوید: «این که چنین حالت‌هایی از ماده‌ در سامانه‌های زیستی هم وجود دارند مرا بسیار شگفت‌زده ساخت. اینجا آشکارا چیزی جالب وجود دارد.»

هاروویتز هم با این نظر موافق است: «دیدن ساختارهایی کاملا همسان در چنین سامانه‌های به شدت متفاوتی نشان می‌دهد که انرژی یک سامانه می‌تواند به شیوه‌ای ساده و جهانی بستگی به شکل آن سامانه داشته باشد.»

در پایان هوبر خاطرنشان می‌کند که این همسانی‌ها هنوز به گونه‌ای رازآلودند: «پژوهشنامه‌ی ما پایان چیزی نیست؛ در واقع آغاز بررسی این دو مدل است.»

--------------------------------------------
به تلگرام یک ستاره در هفت آسمان بپیوندید:

واژه نامه:
Physical Review C - neutron star - cell - cytoplasm - multistory parking - UC Santa Barbara - soft condensed-matter - Greg Huber - biophysics - organelle - endoplasmic reticulum - ER - Terasaki ramps - Mark Terasaki - cell biologis - University of Connecticut - nuclear physicist - Charles Horowitz - Indiana University - computer simulation - crust - Chuck - UCSB - Kavli Institute for Theoretical Physics - KITP - apt terminology - nuclear pasta - spaghetti - lasagna - helical - topological defect - thermodynamic - density - intracellular - strong nuclear force - electromagnetic force - quantum-mechanical - membrane - entropic - nucleons - proton - neutron - femtometer - nanometer - Martin Savage - arXiv - preprint - University of Washington

0 دیدگاه شما:

Blogger template 'Browniac' by Ourblogtemplates.com 2008

بالای صفحه