Живая материя нарушает классические правила физической симметрии при коллективном движении, выяснили ученые

Исследовательская группа под руководством ученых из Ben-Gurion University of the Negev выяснила, что живая материя систематически нарушает классические принципы физической симметрии при формировании и распаде структур коллективного движения, согласно исследованию, опубликованному в журнале Nature Physics. Полученные результаты ставят под сомнение традиционные физические модели, заимствованные из теории пассивных жидких кристаллов и мягкой материи, которые долгое время использовались для описания движения групп живых клеток. Изучая системы — от роящихся бактерий до пластов тканевых клеток, исследователи продемонстрировали, что потребляющие энергию биологические единицы создают неравновесные потоки, нарушающие фундаментальные пространственные и временные симметрии. Открытие дает более четкую основу для понимания того, как биологическая ткань самоорганизуется в процессе развития, заживления ран и прогрессирования заболеваний.

## Ключевые факты - Исследователи под руководством Ben-Gurion University of the Negev опубликовали свои результаты в журнале Nature Physics 22 сентября 2026 года. - Исследование показывает, что живая активная материя нарушает стандартные законы физической симметрии, управляющие неживыми мягкими материалами. - В ходе экспериментов был проанализирован характер коллективного движения в различных биологических системах, включая колонии роящихся бактерий и слои тканевых клеток млекопитающих. - Классические физические модели, основанные на теории пассивных жидких кристаллов, не смогли предсказать, как формируются, организуются и распадаются биологические потоки. - Исследование устанавливает, что потребление энергии клетками на микроуровне создает неравновесные активные напряжения, нарушающие пространственную симметрию и симметрию относительно обращения времени.

## Что произошло В физической науке пассивные материалы, такие как вода, простые полимеры и неживые жидкие кристаллы, подчиняются хорошо изученным принципам симметрии, основанным на термодинамике и статистической механике. Когда пассивные жидкие кристаллы переходят из упорядоченного состояния в неупорядоченное и наоборот, входящие в их состав молекулы выстраиваются в соответствии с принципами минимизации энергии, сохраняя пространственную четность и обратимость траекторий при инверсии времени.

Однако исследовательская группа из Ben-Gurion University of the Negev (BGU) обнаружила, что живые клетки ведут себя принципиально иначе при организации в коллективные потоки. Живые организмы и клетки потребляют химическую энергию — как правило, запасаемую в виде adenosine triphosphate (ATP) в эукариотических клетках или генерируемую посредством метаболических процессов у бактерий — для самодвижения и приложения сил к соседним клеткам и окружающему их внеклеточному матриксу. Это непрерывное внутреннее рассеяние энергии выводит живую материю далеко за пределы термодинамического равновесия.

Исследователи BGU отслеживали возникновение и угасание коллективного движения клеток в различных экспериментальных условиях, анализируя как высокоплотные рои подвижных бактерий, так и сплошные слои клеток эпителиальной ткани. В классических моделях жидких кристаллов топологические дефекты — точки, в которых нарушается направленный порядок, — образуются и аннигилируют в виде симметричных, предсказуемых пар. Исследование показало, что в живой активной материи формирование и распад этих структур коллективного потока не подчиняются этим традиционным правилам.

Вместо этого образование и аннигиляция топологических дефектов в живых тканях и бактериальных роях демонстрируют выраженную направленность и необратимую динамику. Когда клеточные потоки спонтанно порождают турбулентность или сворачиваются в упорядоченные струи, пространственные структуры, наблюдаемые при формировании узора, не зеркалят те, что наблюдаются при его распаде. Эта структурная асимметрия нарушает классические соотношения взаимности Onsager и симметрию обращения времени, доказывая, что пассивные физические модели не могут адекватно описать фазовые переходы и динамику потоков живых клеточных коллективов.

## Почему это важно Понимание физических законов, управляющих живой материей, имеет прямое значение для биофизики, биологии развития, материаловедения и онкологии. На протяжении десятилетий биофизики опирались на модифицированные версии теории пассивных жидких кристаллов, известные как модели активных нематиков, для описания клеточных тканей. Однако использование пассивных моделей для представления активных биологических систем часто приводит к неверным прогнозам относительно распределения сил, деформации тканей и коллективного транспорта. Точно определяя, как живые системы нарушают физические симметрии, исследование BGU предлагает усовершенствованную математическую основу для моделирования биологического движения.

В медицинских исследованиях коллективная миграция клеток является фундаментальным процессом при развитии эмбриональных тканей, заживлении ран и метастазировании рака. Во время органогенеза клетки должны мигрировать согласованными пластами для формирования сложных трехмерных структур. При повреждении кожи или сосудистых стенок соседние клетки мигрируют коллективно, чтобы закрыть рану. И наоборот, во время инвазии злокачественной опухоли раковые клетки часто отделяются от первичных опухолей и внедряются в окружающие ткани в виде коллективных кластеров, а не отдельных единиц.

Точные физические модели таких коллективных форм поведения позволяют биомедицинским исследователям лучше моделировать реакцию тканевых структур на механическую деформацию, биохимическую сигнализацию и фармакологические воздействия. Кроме того, в материаловедении понимание того, как биологические системы используют локализованную энергию для самосборки без ограничений термодинамической симметрии, может способствовать созданию новых синтетических материалов. Такие активные биологические материалы могли бы самовосстанавливаться, обеспечивать непрерывную микрофлюидную перекачку без внешних механических деталей или автономно изменять свои структурные свойства в ответ на сигналы окружающей среды.

## Предыстория Изучение активной материи сформировалось как отдельный раздел физики мягких конденсированных сред в конце 1990-х и начале 2000-х годов. Знаковым событием стал 1995 год, когда физик-теоретик Tamas Vicsek и его коллеги представили простую математическую модель, описывающую коллективное движение самодвижущихся частиц, таких как стаи птиц или косяки рыб. Вскоре после этого теоретики в области мягкой материи адаптировали математический аппарат физики жидких кристаллов, созданный в том числе лауреатом Нобелевской премии Pierre-Gilles de Gennes в конце XX века, для описания биологических систем, элементы которых выстраиваются подобно палочковидным молекулам.

Жидкие кристаллы — это состояния материи, обладающие свойствами, промежуточными между свойствами обычных жидкостей и твердых кристаллов. В пассивных жидких кристаллах, таких как те, что используются в электронных дисплеях, вытянутые молекулы выстраиваются вдоль общего вектора направления, известного как поле директора. Физика пассивных жидких кристаллов подчиняется принципам минимальной энергии: при снятии внешних сил система возвращается в низкоэнергетическую симметричную конфигурацию, определяемую термодинамическим равновесием.

Напротив, активная материя состоит из отдельных единиц, которые преобразуют внутреннюю химическую энергию в механическую работу. Примеры варьируются от молекулярных моторов, перемещающихся по нитям цитоскелета внутри одной клетки, до роящихся бактерий, слоев эпителиальных клеток, косяков рыб и людских толп. Поскольку энергия непрерывно поступает на уровне отдельных частиц, активная материя постоянно находится в неравновесном состоянии.

За последние два десятилетия физики предложили континуальные теории «активных нематиков», добавив члены активного напряжения в традиционные уравнения жидких кристаллов. Эти активные напряжения отражают толкающие или тянущие силы, создаваемые самодвижущимися объектами. Хотя модели активных нематиков успешно описывали такие явления, как активная турбулентность и спонтанное возникновение потоков, они часто сохраняли базовые математические симметрии, унаследованные от теорий пассивных жидких кристаллов. Исследование BGU напрямую устраняет это теоретическое ограничение, демонстрируя, что биологические механизмы, управляющие движением клеток, активно нарушают эти пассивные симметрии во время динамического формирования и распада структур.

## Реакция Публикация исследования в журнале Nature Physics привлекла внимание как физического, так и биологического научных сообществ, подчеркнув продолжающийся переход к рассмотрению живой материи как совершенно отдельного класса физических материалов, а не как модифицированной производной пассивной мягкой материи.

Ожидается, что физики-теоретики, специализирующиеся на неравновесной статистической механике, пересмотрят существующие уравнения активных нематиков, чтобы включить явные члены нарушения симметрии, выявленные командой BGU. Исследователи в области биологической физики, скорее всего, сосредоточатся на связывании этих макроскопических нарушений симметрии с конкретными микроскопическими биомеханическими структурами, такими как актин-миозиновая сократимость, межклеточные адгезионные комплексы (например, кадгерины) и механизмы движения жгутиков.

Хотя исследование предлагает фундаментальную физическую основу, биологи развития и медицинские исследователи, как ожидается, изучат, проявляют ли конкретные типы тканей или патологические состояния различную степень нарушения симметрии. Ожидается, что на академических форумах и предстоящих физических конференциях, таких как American Physical Society March Meeting, будут обсуждаться вопросы интеграции этих неравновесных физических законов в компьютерное моделирование роста органоидов и экспансии опухолей.

## Что мы пока не знаем Несмотря на подтверждение того, что клеточные потоки нарушают классические модели симметрии, несколько ключевых вопросов относительно точных биологических факторов, стоящих за этими физическими явлениями, остаются нерешенными. Во-первых, точные биохимические пути, управляющие величиной нарушения физической симметрии в различных типах тканей, изучены не полностью. Остается неясным, как именно специфические внутриклеточные сигнальные каскады — такие как пути Rho-GTPase, регулирующие сократимость клеток, — сопоставляются с математическими параметрами нарушения симметрии, выявленными в исследовании.

Во-вторых, текущие результаты в основном относятся к двумерным и квазидвумерным экспериментальным системам, таким как монослои клеток на предметных стеклах или тонкие бактериальные суспензии. Как именно эти нарушения физической симметрии проявляются в полностью трехмерных средах, таких как развивающиеся эмбрионы или плотные опухоли, внедренные в плотный внеклеточный матрикс, остается открытым полем для исследований.

Наконец, исследователям еще предстоит определить, обладают ли злокачественные клетки иными характеристиками нарушения физической симметрии по сравнению со здоровыми, нераковыми клетками. Если раковая ткань демонстрирует отличные от нормы неравновесные симметрии потока при коллективной инвазии, это физическое свойство потенциально может послужить новым диагностическим биомаркером или терапевтической мишенью, хотя экспериментальных доказательств этой концепции в настоящее время не хватает.

## За чем следить В ближайшие месяцы и годы несколько ключевых событий покажут, как этот теоретический прорыв повлияет на биологическую физику и биомедицинские приложения. Исследователи будут внимательно следить за последующими исследованиями, в которых предпринимаются попытки сформулировать единые математические уравнения, явно учитывающие нарушенные симметрии, наблюдаемые в живых потоках.

Важным этапом станет внедрение этих новых физических параметров в программное обеспечение для биофизического моделирования, которое исследователи используют для симуляции морфогенеза, заживления ран и формирования сосудистых сетей. Если обновленные модели продемонстрируют значительно более высокую прогностическую точность по сравнению с экспериментальными данными о росте тканей, теоретическая база, предложенная командой BGU, скорее всего, станет стандартом в вычислительной биологии.

Кроме того, ожидается, что экспериментальные группы протестируют эти принципы в сложных трехмерных культурах органоидов и на моделях животных. Наблюдательные исследования, отслеживающие, меняется ли нарушение клеточной симметрии на определенных стадиях развития или при прогрессировании заболеваний, предоставят ключевое подтверждение. В области инженерии материаловеды будут следить за попытками создания биогибридных активных систем, использующих неравновесное нарушение симметрии для создания автономных микрофлюидных насосов и самовосстанавливающихся биоматериалов.

Этот отчет основан на оригинальном исследовании, опубликованном в Nature Physics и переданном phys.org 22 сентября 2026 года.