سلول‌های زنده می‌توانند جریان سیتوپلاسم مایع خود را تنظیم و از آن به عنوان سامانه حمل‌ونقل استفاده کنند. تک پروتئین‌هایی که در امتداد رشته‌های پروتئینی حرکت می‌کنند منجر به حرکت ناهماهنگ سیال می‌شوند که متعاقبا باعث جریان در قطره‌ای از سیتوپلاسم سلولی می‌شود. اکنون مدلی نظری ارایه شده که نظم این جریان‌ها را بررسی می‌کند. این مدل منشا پدیده زیستی‌ای را توضیح می‌دهد که برای بیش از دو قرن رازآلود باقی مانده: چگونه یک سازوکار ساده زیستی می‌تواند از تصادف، نظم تولید کند؟

چرخه گردشی. اندام‌های درونی خزه سبز Chara corallina به خاطر حرکت پایداری که جریان سیتوپلاسمایی نامیده می‌شود، به کندی حرکت می‌کنند. ارتفاع عمودی این تک سلول در حدود 1 میلی‌متر است.

جریان منظم شاره در سلول‌ها که جریان سیتوپلاسمایی نامیده می‌شود، ابتدا در قرن هجدهم و در گیاهان زنده و سلول‌های جلبکی مشاهده شد. اما ری گلداشتاین[1] از دانشگاه کمبریج انگلستان می‌گوید که هنوز واضح نیست که هدف این جریان چیست؟ از دهه 1950 دانشمندان فهمیده‌اند حرکت سیال با موتورهای پروتئینی میوسین شکل می‌گیرد که در امتداد اکتین‌های پلیمری حرکت می‌کنند؛ این اکتین‌ها در سطح داخلی غشای سلولی جای دارند. یک مولکول میوسین –که «محموله»های بزرگتری از مولکول‌ها را حمل می‌کند- به طور تصادفی روی یکی از رشته‌ها فرود می‌آید به سمت انتهای آن می‌رود و سپس دوباره به شکل تصادفی از آن جدا می‌شود. وقتی محموله حرکت می‌کند باعث جریان می‌شود.

گلداشتاین و همکارش فرانسیس وودهاوس[2] در کمبریج به مقاله‌ای از سال 1953 دست یافتند که نشان می‌داد حتی وقتی سیتوپلاسم از سلولی استخراج و در غشایی جاسازی شود، این قطره می‌تواند باعث جریان گردابه‌ای شود. در این صورت، رشته‌های اکتین آزادانه معلق می‌شوند و به شکل تصادفی جهت‌گیری می‌کنند زیرا دیگر به جایی متصل نیستند[1]. پروتئین‌های متحرک تولید نیروی خالص نمی‌کنند بلکه در عوض «دوقطبی نیرویی» تولید می‌کنند به نحوی که پروتئین و محموله به یک سمت و رشته به سمت دیگر حرکت ‌می‌کند. این گروه متعجب شد که چگونه رشته‌هایی با جهت‌گیری تصادفی می‌تواند تولید جریان منظم کند.

وودهاوس و گلداشتاین معادلاتی را استخراج کردند که جریان القایی ناشی از نیروهای دوقطبی پروتئین‌های متحرک را در دوبعد توصیف می‌کند. آن‌ها دریافتند که در بالای مقداری خاص از این «نیرو»، جریان نامنظم بلافاصله به شکل دایروی در می‌آید. وقتی این دو پژوهشگر معادلات کامل را با روش‌های عددی حل کردند، این پیش‌بینی تایید شد: در بالای این مقدار آستانه‌ای، جریان چرخشی ظاهر می‌شود که رشته‌ها را به صورت مارپیچ آرایش می‌دهد.

این خود-سازماندهی به دلیل برهمکنش جریان‌های ناشی از هر جفت پروتئین/اکتین است. دنباله سیال یک پروتئین متحرک(و محموله آن) تمایل دارد تا رشته‌های نزدیک خود را هم جهت کند و جریان آن را جهت دهد. در واقع اجرام همسایه سیال متحرک می‌تواند یکدیگر را بکشند و تولید گردابه منظم کنند.

این چرخش اساسا پایدار است زیرا کل سامانه در مرز دایروی محدود شده است. برعکس، گلداشتاین سامانه‌ای مشابه اما نامحدود را معرفی می‌کند که «دینامیک ناپایدار و اغتشاشی» دارد.

پژوهشگران می‌گویند پیش‌بینی آن‌ها درباره تبدیل حرکت نامنظم به جریان چرخشی، در آزمایش‌ها قابل مشاهده است. پژوهشگران می‌توانند با کنترل غلظت ATP(سوخت شیمیایی موتور) فعالیت پروتئین‌ها را تغییر دهند یا با تغییر گرانروی سیتوپلاسم، شدت برهمکنش بین مولکول‌های میوسین را عوض کنند.

گروه متوجه شد که در آهنگ شارش بالا، این چرخش ساده می‌تواند الگوهای پیچیده‌تری تولید کنند، مانند دو مرکز مجزا برای چرخش یا جریان‌هایی که مرکز گردابه حول مرکز مرز دایروی حرکت می‌کند.

از دیگر سامانه‌های خود-سازمان‌ده، باکتری‌هایی هستند که در الگوی گردابه‌ای هجوم می‌برند یا ماهی‌هایی که جهت‌گیری یکسانی با همسایگان خود دارند. ویژگی مشترک این سامانه‌ها، تحول از الگوهای ساده به پیچیده با افزایش نیرو است[2]. اما در اکثر این سامانه‌ها، اجزای سازنده قادرند جهتگیری همسایه‌های خود را احساس کنند و بدان پاسخ دهند و فقط با جریان سیال حرکت نمی‌کنند[3،4]. وودهاوس و گلداشتاین نتایج خود را نشانی می‌دانند از نوع جدیدی از سامانه‌های نظم‌دهنده.

هربرت لواین[3] از دانشگاه کالفرنیا-سن دیگو می‌گوید: «چیزی که جدید به نظر می‌رسد این است که برهمکنش‌های کاملا هیدرودینامیکی بین عناصر فعال می‌تواند منجر به الگوهای چرخشی ‌شود.» وی می‌گوید باید منتظر ماند و دید که آیا این ایده‌ها در مورد جریان سیوپلاسمی درون سلول‎های زنده کاربرد دارد یا خیر.

منبع:

How Cytoplasm Generates its Own Smooth Flow, Philip Ball, October 19, 2012.

مرجع:

1.     Y. Yotsuyanagi, Recherches sur les Phénomènes moteurs dans les Fragments de Protoplasme isolés II. Mouvements divers déterminés par la condition de milieu,” Cytologia 18, 202 (1953).

2.     T. Vicsek and A. Zafeiris, “Collective Motion,” Phys. Rep. 517, 71 (2012).

3.     T. Vicsek, A. Czirók, E. Ben-Jacob, I. Cohen, and O. Shochet, “Novel Type of Phase Transition in a System of Self-Driven Particles,”Phys. Rev. Lett. 75, 1226 (1995).

4.     J. Toner and Y. Tu, “Flocks, Herds, and Schools: A Quantitative Theory of Flocking,” Phys. Rev. E 58, 4828 (1998).