Znanstvenici sa Stanforda otkrili kompleksno ponašanje jednostavne stanice bez živčanog sustava. Nazivaju ga biološki origami.
Kombinirajući duboku znatiželju i “rekreativnu biologiju”, istraživači sa Stanforda otkrili su kako jednostavna stanica može proizvesti izvanredno kompleksno ponašanje, sve bez živčanog sustava. Oni to nazivaju origami. “Postoje stvari u životu koje kad jednom vidiš, nikad ih ne možeš zaboraviti,” rekao je Manu Prakash, izvanredni profesor bioinženjeringa na Sveučilištu Stanford, pokazujući video svoje najnovije fascinacije, jednoćelijskog organizma Lacrymaria olor, slobodno živećeg protoktista kojeg je otkrio igrajući se svojim papirnatim Foldscopeom. “To je … jednostavno … hipnotizirajuće.”
“Od trenutka kad mi je Manu pokazao, bio sam opčinjen ovom stanicom,” rekao je Eliott Flaum, diplomant u Prakashovom laboratoriju. Prakash i Flaum proveli su zadnjih sedam godina proučavajući svaki pokret Lacrymaria olor i objavili su rad o svom istraživanju u časopisu Science. “Prvi put kad sam donio fluorescentnu mikrografiju, bilo je zadivljujuće,” rekao je Flaum. “Ta slika je u radu.” Video koji je Prakash pustio otkriva zašto je ovaj organizam puno više od lijepog prizora: jednostanična stanica u obliku suze pliva u kapljici jezerske vode. U trenu, dugi, tanki “vrat” proteže se iz kuglastog donjeg dijela. I nastavlja se protezati. I protezati. Zatim, jednako brzo, vrat se uvlači natrag, kao da se ništa nije dogodilo.
U nekoliko sekundi, stanica koja je bila dugačka samo 40 mikrona izrasla je vrat koji se protegnuo 1500 mikrona ili više. To je ekvivalentno čovjeku visokog 180 cm koji projicira svoju glavu više od 60 metara. Sve to bez živčanog sustava. “To je nevjerojatno kompleksno ponašanje,” rekao je Prakash s osmijehom. L. olor je istaknuta u časopisu Science jer su Prakash i Flaum otkrili novi geometrijski mehanizam u ovom ponašanju, dosad nepoznat u biologiji. Oni su prvi koji su objasnili kako tako jednostavna stanica može proizvesti tako nevjerojatnu morfodinamičnost, prekrasno savijanje i rasklapanje—poznato kao origami—na razini jedne stanice, uvijek iznova bez greške.
Radi se o geometriji. Ponašanje L. olora je kodirano u njegovoj citoskeletnoj strukturi, baš kao što je ljudsko ponašanje kodirano u neuronskim krugovima. “Ovo je prvi primjer staničnog origamija,” rekao je Prakash. “Razmišljamo o nazivu lacrygami.” Konkretno, radi se o podskupu tradicionalnog origamija poznatog kao “origami s zakrivljenim naborima.” Sve se temelji na strukturi tankih, spiralnih mikrotubula—rebara koja se omataju unutar membrane stanice. Ova mikrotubulska rebra su obavijena nježnom membranom.
Prakash i Flaum koristili su transmisijsku elektronsku mikroskopiju i druge najsuvremenije istraživačke tehnike kako bi pokazali da zapravo postoji 15 ovih krutih, spiralnih mikrotubularnih vrpci koje obavijaju membranu stanice L. olora—citoskelet. Ove tubule se namataju i odmataju, vodeći do dugog projiciranja i uvlačenja, uvlačeći se natrag u sebe poput harmonike. Membrana se uredno sklapa unutar stanice u preciznim naborima. “Kada pohranjujete nabore na ovaj način, možete pohraniti beskonačnu količinu materijala,” objasnio je Flaum. “Biologija je to shvatila.”
Elegancija aritmetike i singularnost
Elegancija je u aritmetici. Matematički je nemoguće da se ova struktura razvije na bilo koji drugi način—i, obrnuto, samo na jedan način se može uvući. Ono što je možda još zapanjujuće za Prakasha je čvrstoća arhitekture. U svom životnom vijeku, L. olor će obaviti ovo projiciranje i uvlačenje 50.000 puta bez greške, rekao je, “L. olor je vezan svojom geometrijom da se sklapa i rasklapa na ovaj specifičan način.”
Ključ je u malo proučavanom matematičkom fenomenu koji se događa na preciznoj točki gdje se rebra uvijaju, a savijena membrana počinje rasklapati. To je singularnost—točka gdje je struktura istovremeno sklupčana i rasklopljena. To je i jedno i drugo i niti jedno—singularno. Uzima komad papira, Prakash ga savija u oblik stošca i zatim povlači jedan kut papira kako bi demonstrirao kako ta singularnost (nazvana d-stožac) putuje preko lista u urednoj liniji—a, guranjem kuta natrag, kako se singularnost vraća istim putem do svog izvornog položaja.
“Stanica se razvija i sklapa na ovoj singularnosti svaki put, djelujući kao kontrolor. Ovo je prvi put da je geometrijski kontrolor ponašanja opisan u živoj stanici,” objasnio je Prakash. Konstantna tema u radu Prakashovog laboratorija je duboko čuđenje i razigranost, što rezultira energičnom znatiželjom potrebnom za dugotrajno istraživanje takvih ideja. To Prakash naziva starom školom znanosti, ili rekreativnom biologijom.
Kako bi prikazao svoju inspiraciju, Prakash je pokazao obiteljsko stablo drugih jednoćelijskih organizama koje je odlučio proučavati. Istina, nijedan ne može raditi ono što može L. olor, rekao je. Ali ove složene geometrije dolaze u tisućama oblika. Prekrasno? Svakako, ali svaki od njih skriva čudesna i nepisana pravila ispod svojih slojeva. “Počeli smo s zagonetkom,” objasnio je Prakash ozbiljno. “Ellie i ja postavili smo vrlo jednostavno pitanje: Odakle dolazi ovaj materijal? I kamo odlazi? Kao svoje igralište, odabrali smo Stablo života. Sedam godina kasnije, evo nas ovdje.”
Što se tiče praktičnih primjena, Prakash, inženjer, već zamišlja novu eru mikroskopskih “živih strojeva” koji bi mogli transformirati sve, od svemirskih teleskopa do minijaturnih kirurških robota u operacijskoj sali. Prakash je također viši suradnik u Stanford Woods Institutu za okoliš, izvanredni profesor biologije i oceana, član Stanford Bio-X, Wu Tsai Human Performance Alliance, Maternal & Child Health Research Institute i Wu Tsai Neurosciences Institute.
Pozdrav svima! Hvala što čitate Kozmos.hr! Ja sam Ivan i dugi niz godina pišem o svermiu, astronomiji, znanosti, povijesti i arheologiji, a imao sam priliku sudjelovati i u dokumentarcima Science Discovery-ja te History Channel-a.
