Wir Menschen sind vielleicht noch mehr vom Universum als wir uns vorgestellt haben. Laut einer in der Zeitschrift Physical Review C veröffentlichten Studie haben Neutronensterne und Zellzytoplasma etwas gemeinsam: Strukturen, die mehrstöckigen Garagen ähneln. Im Jahr 2014 untersuchten der Physiker für weiche kondensierte Materie, Greg Huber, und Kollegen die Biophysik dieser Formen - Spiralen, die gleichmäßig verteilte Blätter verbinden - im endoplasmatischen Retikulum. Huber und seine Kollegen nannten sie Terasaki Ramps nach ihrem Entdecker Mark Terasaki, einem Zellbiologen an der University of Connecticut.
Huber dachte, diese "Parkhäuser" seien einzigartig für weiche Materie (wie das Innere von Zellen), bis er auf die Arbeit des Kernphysikers Charles Horowitz von der Indiana State University stieß. Mithilfe von Computersimulationen fanden Horowitz und sein Team ähnliche Formen tief in der Kruste von Neutronensternen.
„Ich habe Chuck angerufen und gefragt, ob er weiß, dass wir solche Strukturen in Zellen gesehen haben, und ein Modell für sie entwickelt“, sagt Huber, stellvertretender Direktor des Kavli-Instituts für Theoretische Physik an der University of California in Santa Barbara. "Das waren Neuigkeiten für ihn, also wurde mir klar, dass wir eine fruchtbare Zusammenarbeit haben können."
Als Ergebnis ihrer Zusammenarbeit untersuchten sie, wie in Physical Review C erwähnt, die Beziehung zwischen zwei völlig unterschiedlichen Materiemodellen.
Kernphysiker haben eine sehr genaue Terminologie für die gesamte Figurenklasse, die sie in ihren Computermodellen von Neutronensternen beobachten: Kernpaste. Es besteht aus Röhren (Spaghetti) und parallelen Blättern (Lasagne), die durch spiralförmige Formen verbunden sind, die an Terasaki-Rampen erinnern.
„Sie beobachten die Formen, die wir in der Zelle sehen“, erklärt Huber. „Wir sehen ein röhrenförmiges Netzwerk, wir sehen parallele Blätter. Wir sehen Blätter, die durch topologische Defekte miteinander verbunden sind, die wir Terasaki-Rampen nennen. Daher sind die Parallelen sehr tief."
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Trotzdem ist ihre Physik anders. Normalerweise wird eine Substanz durch ihre Phase charakterisiert, ein Zustand, der von thermodynamischen Variablen abhängt: Dichte (oder Volumen), Temperatur und Druck - Faktoren, die sich auf nuklearer und intrazellulärer Ebene signifikant unterscheiden.
„Für Neutronensterne stellen starke nukleare und elektromagnetische Kräfte ein quantenmechanisches Problem dar“, erklärt Huber. - Im Inneren der Zelle sind die Kräfte, die die Membranen zusammenhalten, grundsätzlich entropisch und hängen mit der Minimierung der gesamten freien Energie des Systems zusammen. Auf den ersten Blick sind das ganz andere Dinge."
Ein weiterer Unterschied ist die Skalierung. Im nuklearen Fall basieren diese Strukturen auf Nukleonen wie Protonen und Neutronen, und diese Bausteine werden mit Femtometern (10-15) gemessen. Bei intrazellulären Membranen wird die Skalenlänge in Nanometern (10-9) gemessen. Der Unterschied zwischen ihnen ist ziemlich groß (10-6), aber gleichzeitig haben sie Tage und die gleichen Formen.
"Dies bedeutet, dass es etwas Tieferes gibt, als wir verstehen, wie man ein nukleares System modelliert", sagt Huber. "Wenn Sie eine dichte Ansammlung von Protonen und Neutronen haben, wie auf der Oberfläche eines Neutronensterns, versetzen Sie starke Kernkräfte und elektromagnetische Kräfte zusammen in Phasen der Materie, die Sie nicht vorhersagen können, wenn Sie kleine Ansammlungen von Neutronen und Protonen betrachten."
Die Ähnlichkeit von Strukturen begeisterte theoretische Physiker und Kernphysiker. Martin Savage zum Beispiel stieß auf Charts aus einer neuen Arbeit an arXiv und wurde sehr interessiert. "Ich war sehr überrascht, dass ein solcher Materiezustand in biologischen Systemen auftritt", sagt Savage, Professor an der University of Washington. "Da ist definitiv etwas dran." Darüber hinaus ist die Ähnlichkeit auch sehr mysteriös. Dies ist nur der Anfang.
ILYA KHEL