Математика очень многогранная, а её связи с остальными науками просто нельзя представить в виде конечного списка. И одним из его пунктов служит одна довольно интересная статья журнала Nature, вышедшая чуть более года назад. Объект повествования — связь математики и биологии, а именно, как фрактальная геометрия удивила биологов и дала толчок к новому исследованию? Думаю, многим будет полезно узнать об этом, как минимум, просто ознакомиться для общего развития 🙂
Итак, барабанная дробь! ….
Открыт первый молекулярный фрактал. Но как случайная мутация создала геометрическое чудо в живой клетке?!
Представьте, что вы обнаружили в природе структуру, которая бесконечно повторяет саму себя. Кажется фантастикой, не так ли? Ведь представления о самоорганизации белков и эволюции сложных структур уже давно и всем известны. Но тут случилось невероятное, в лабораториях Института Макса Планка и Университета Филиппа в Марбурге ученым удалось открыть первый в истории настоящий молекулярный фрактал — и это заставляет нас пересмотреть самые основы биологии, эволюции и самоорганизации материи!
Напомню, что фракталы — это геометрические объекты, части которых подобны целому. Мы можем увидеть их буквально везде: в ветвях деревьев ?, береговых линиях ?, снежинках ? и даже в наших кровеносных сосудах ?. Но до сих пор считалось, что на молекулярном уровне белки и ферменты не способны к спонтанному формированию таких сложных узоров. Они обычно собираются в симметричные решетки, фибриллы или сферы — но никак не во фракталы!
Главный «персонаж» статьи — цитратсинтаза цианобактерии!
Исследователи изучали обычный, на первый взгляд, фермент — цитратсинтазу у цианобактерии. К своему удивлению, они обнаружили, что его молекулы спонтанно собираются в идеальную фрактальную структуру — треугольник Серпинского — классический математический фрактал, который можно получить, бесконечно удаляя центральные части из равностороннего треугольника.
Но как же он устроен? Ведь раньше о таком нельзя было и подумать, все было прозрачно как 2х2. Но с помощью электронной микроскопии ученые увидели, что различные субъединицы белка вступают в необычные асимметричные взаимодействия. Именно эта асимметрия, нарушающая привычные правила белковой сборки, и позволяет возникать фрактальной геометрии.
Когда ученые восстановили предковую форму фермента с помощью методов обратной эволюции, они сделали поразительное открытие — фрактальная сборка возникла внезапно, в результате всего нескольких мутаций, но затем… просто бесследно исчезла у большинства современных цианобактерий.
Это подталкивает на мысль о том, что фрактальная организация — скорее всего, случайный продукт эволюции, нейтральный признак, не дающий преимущества в выживании. Он возник не потому, что был «нужен», а просто потому, что мог возникнуть.
Но, как и любое научное открытие, эта сенсация сразу в двух областях науки не могла пройти просто так, не оставив пищи для ума. И вот несколько последствий, которые возникли в результате резонансного события:
1) Новая парадигма самоорганизации
До сих пор считалось, что белки собираются по строгим симметричным правилам. Теперь мы видим, что асимметрия и случайность могут порождать структуры невероятной сложности.
2) Переосмысление эволюции
Открытие ставит под сомнение строгий адаптационизм — идею, что все в биологии существует ради какой-то пользы. Случайность и нейтральные мутации могут создавать сложные структуры без наличия цели или скрытого смысла.
3) Перспективы для технологий
Фракталы обладают уникальными свойствами: огромной площадью поверхности, необычной механикой и оптикой. Используя принципы молекулярной фрактальной сборки, можно создавать новые материалы для катализа, доставки лекарств или сенсоров.
Помимо научной пользы, данное открытие говорит о том, что природа способна создавать «случайные шедевры» — сложные и красивые структуры, возникающие без замысла и цели. Хаос и порядок идут рука об руку в эволюции, и именно в их взаимодействии рождается удивительное разнообразие жизни.
Молекулярный фрактал — не просто научная сенсация, это окно в новый мир, где геометрия, биология и случайность переплетаются, создавая ту сложную и прекрасную реальность, которую мы еще не знаем, но должны вскоре изучить её!
Источник: vk.com
Источник: ai-news.ru
