Физики обнаружили фазовый переход в пленках внутри легких
A. K. Sachan et al./ PNAS, 2017
Легочный сурфактант, покрывающий альвеолы, может изменять свою структуру при изменении кривизны поверхности. Происходящий при этом фазовый переход может объяснить механизм повышения устойчивости легких при дыхании, пишут ученые в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Для повышения устойчивости легких во время дыхания специальные клетки на внутренней поверхности легочных альвеол выделяют из плазмы крови легочный сурфактант — смесь поверхностно-активных веществ, которая препятствует слипанию клеток и возникновению ателектаза. Утоньшение или разрывы в слое легочного сурфактанта в результате нарушения работы альвеол могут приводить к спадению легких, что опасно для жизни. Для объяснения механизмов работы легочных сурфактантов мономолекулярные слои таких веществ исследуют в лабораторных условиях. Обычно для таких анализов используются сурфактанты естественного или искусственного происхождения, которые наносят на плоские поверхности — считается, что кривизна альвеол достаточно маленькая и не может заметно влиять на взаимодействие молекул внутри пленки.
Амит Кумар Сахан (Amit Kumar Sachan) и Джозеф Засадзински (Joseph A. Zasadzinski) из Университета Миннесоты решили проверить, что на самом деле происходит с мономолекулярной пленкой из экзогенного легочного сурфактанта при увеличении кривизны поверхности до кривизны альвеол. Для этого ученые использовали легочный сурфактант Сурванта, полученный из легкого быка, который наносили на газовые пузыри различного размера. Для изучения структуры и динамики поверхности авторы работы использовали конфокальную флуоресцентную микроскопию.
Зависимость структуры мономолекулярного слоя легочной сурфактанта на плоской поверхности (слева), и на двух пузырях различного радиуса
A. K. Sachan et al./ PNAS, 2017
Оказалось, что на поверхностях с небольшой кривизной (то есть плоских или почти плоских) сурфактант находится в состоянии, в котором сосуществуют две жидких фазы: основная односвязная среда с небольшими включениями второй фазы, существующих в виде доменов круглой формы. При увеличении кривизны поверхности (то есть уменьшения радиуса частицы, на которую происходит осаждение), структура пленки сильно перестраивается и происходит образование вытянутых линейных доменов. Для поверхностного натяжения всех межфазных границ порядка 45 миллиньютонов на метр, характерного для сурфактантов, такой переход происходит при радиусе кривизны около 100 микрон, то есть как раз порядка размера альвеолы легких.
Чтобы изучить динамические свойства образовавшейся структуры, авторы работы проанализировали изменения, которые происходят в пленке с течением времени или при изменении температуры. Оказалось, что повышение температуры от комнатной до температуры тела не приводит к структурным изменениям на поверхностях любой кривизны. При этом «старение» пленок с течением времени проходит на разных поверхностях по-разному. Так, на плоской поверхности структура полностью сохраняется, а на сферических поверхностях со временем происходит образование более анизотропных доменов за счет слияния нескольких круглых.
Изменение структуры мономолекулярного слоя сурфактанта с течением времени на поверхностях различной кривизны
A. K. Sachan et al./ PNAS, 2017
Ученые отмечают, что подобный фазовый переход не может быть объяснен в рамках существующей теории поведения жидких кристаллов с изотропными доменами. Вероятнее всего, к формированию фазы с линейными доменами приводит анизотропия энергии изгиба мономолекулярной пленки. При этом подобную структуру можно наблюдать не только в мономолекулярных слоях на искривленных поверхностях, но и в двухслойных везикулах, плавающих в растворе.
По словам авторов работы, обнаруженный эффект поможет объяснить поведение легочных альвеол во время их расширения, а также механизм повышения устойчивости легких при дыхании за счет легочного сурфактанта.
Стоит отметить, что в тонких упорядоченных пленках на искривленных поверхностях часто можно наблюдать образование необычных структур. Например, в жидкокристаллических холестерических фазы на искривленных поверхностях можно получать красивые хиральные структуры.
Александр Дубов
A. K. Sachan et al./ PNAS, 2017
Легочный сурфактант, покрывающий альвеолы, может изменять свою структуру при изменении кривизны поверхности. Происходящий при этом фазовый переход может объяснить механизм повышения устойчивости легких при дыхании, пишут ученые в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Для повышения устойчивости легких во время дыхания специальные клетки на внутренней поверхности легочных альвеол выделяют из плазмы крови легочный сурфактант — смесь поверхностно-активных веществ, которая препятствует слипанию клеток и возникновению ателектаза. Утоньшение или разрывы в слое легочного сурфактанта в результате нарушения работы альвеол могут приводить к спадению легких, что опасно для жизни. Для объяснения механизмов работы легочных сурфактантов мономолекулярные слои таких веществ исследуют в лабораторных условиях. Обычно для таких анализов используются сурфактанты естественного или искусственного происхождения, которые наносят на плоские поверхности — считается, что кривизна альвеол достаточно маленькая и не может заметно влиять на взаимодействие молекул внутри пленки.
Амит Кумар Сахан (Amit Kumar Sachan) и Джозеф Засадзински (Joseph A. Zasadzinski) из Университета Миннесоты решили проверить, что на самом деле происходит с мономолекулярной пленкой из экзогенного легочного сурфактанта при увеличении кривизны поверхности до кривизны альвеол. Для этого ученые использовали легочный сурфактант Сурванта, полученный из легкого быка, который наносили на газовые пузыри различного размера. Для изучения структуры и динамики поверхности авторы работы использовали конфокальную флуоресцентную микроскопию.
Зависимость структуры мономолекулярного слоя легочной сурфактанта на плоской поверхности (слева), и на двух пузырях различного радиуса
A. K. Sachan et al./ PNAS, 2017
Оказалось, что на поверхностях с небольшой кривизной (то есть плоских или почти плоских) сурфактант находится в состоянии, в котором сосуществуют две жидких фазы: основная односвязная среда с небольшими включениями второй фазы, существующих в виде доменов круглой формы. При увеличении кривизны поверхности (то есть уменьшения радиуса частицы, на которую происходит осаждение), структура пленки сильно перестраивается и происходит образование вытянутых линейных доменов. Для поверхностного натяжения всех межфазных границ порядка 45 миллиньютонов на метр, характерного для сурфактантов, такой переход происходит при радиусе кривизны около 100 микрон, то есть как раз порядка размера альвеолы легких.
Чтобы изучить динамические свойства образовавшейся структуры, авторы работы проанализировали изменения, которые происходят в пленке с течением времени или при изменении температуры. Оказалось, что повышение температуры от комнатной до температуры тела не приводит к структурным изменениям на поверхностях любой кривизны. При этом «старение» пленок с течением времени проходит на разных поверхностях по-разному. Так, на плоской поверхности структура полностью сохраняется, а на сферических поверхностях со временем происходит образование более анизотропных доменов за счет слияния нескольких круглых.
Изменение структуры мономолекулярного слоя сурфактанта с течением времени на поверхностях различной кривизны
A. K. Sachan et al./ PNAS, 2017
Ученые отмечают, что подобный фазовый переход не может быть объяснен в рамках существующей теории поведения жидких кристаллов с изотропными доменами. Вероятнее всего, к формированию фазы с линейными доменами приводит анизотропия энергии изгиба мономолекулярной пленки. При этом подобную структуру можно наблюдать не только в мономолекулярных слоях на искривленных поверхностях, но и в двухслойных везикулах, плавающих в растворе.
По словам авторов работы, обнаруженный эффект поможет объяснить поведение легочных альвеол во время их расширения, а также механизм повышения устойчивости легких при дыхании за счет легочного сурфактанта.
Стоит отметить, что в тонких упорядоченных пленках на искривленных поверхностях часто можно наблюдать образование необычных структур. Например, в жидкокристаллических холестерических фазы на искривленных поверхностях можно получать красивые хиральные структуры.
Александр Дубов
