Критический эффект Казимира может быть ответствен за каждый чих

Эффект Казимира заключается в том, что нулевые (то есть приравниваемые к нулю) флуктуации энергии физического вакуума способны порождать не предусмотренные традиционной физикой макроскопические взаимодействия, которые вынуждают притягиваться две близко расположенные медные пластинки. Между медными пластинками спектр нулевых флуктуаций искажается, и в нём остаются лишь волны (порождаемые флуктуациями вакуума), длины которых меньше ширины зазора между пластинками. В результате возникает сила внешнего давления, вынуждающая пластинки притягиваться друг к другу (обычно при температурах, близких к абсолютному нулю).

Без привлечения квантовой теории объяснить этот эффект невозможно — расстояние между зеркалами достаточно велико, чтобы исключить межмолекулярные и поверхностные силы.

Ну а критический эффект Казимира — это классический аналог квантового явления. В нем эффект наступает не между металлическим пластинами при температурах, близких к абсолютному нулю, а в смешанных жидкостях, находящихся вблизи критической точки двухфазного равновесия жидкость — пар. Жидкость, приближающаяся к критической точке, постепенно разделяется на составляющие, размер и форма которых меняются хаотически, подобно флуктуациям электромагнитного поля в вакууме. Критический эффект Казимира был предсказан в 1978 году Майклом Фишером.

Подобно квантовому эффекту Казимира, две твёрдые поверхности, помещённые рядом в такой жидкости, будут накладывать на неё определённые граничные условия, поскольку только одна фаза жидкой смеси может граничить с ними. В результате между пластинками возникает притягивающая сила.

Немного истории. Эффект, предсказанный голландским физиком Хендриком Казимиром в середине прошлого века, экспериментально был подтверждён лишь в конце 1990-х. Однако ещё до того возникли подозрения о его возможных биологических приложениях. Симон Шноль, работая над докторской диссертацией «Спонтанные обратимые изменения препаратов мышечных белков», обратил внимание на то, что в организмах двух живых подопытных кроликов одновременно измеряемые скорости биохимических процессов имели вроде бы случайный характер, но были очень схожими. Опыты с изолированными ферментами, собственно, и управляющими биохимическими реакциями, дали тот же результат. Скорости ферментативных реакций in vitro изменялись почти синхронно не только в разных частях одного и того же реакционного сосуда, но и в растворах, удалённых друг от друга на значительные расстояния. Учёный назвал это явление «макрофлуктуациями» и предположил их связь с существованием на макроскопическом уровне эффекта, подобного эффекту Казимира (и действующего при обычных температурах), нажив множество оппонентов (в российском научном мире).

Теперь, по всей видимости, этот жребий выпал западным биологам.

Давно известно, что липиды, составляющие мембраны, собираются в группы (кластеры), по размерам в десятки и сотни раз большие, чем одиночные липиды. Однако учёным было не вполне ясно, откуда берётся энергия, необходимая для создания таких групп.

В 2008 году биофизик Сара Витч из Корнеллского университета (США) вместе с коллегами обнаружила небезынтересное явление. При температурах выше 25 ˚C мембраны клеток, взятых (и изолированных) от живых млекопитающих, существуют в одной фазе состояния жидкости, в то время как ниже этой температуры их компоненты разделяются на две фазы, представленные в различных видах липидов и протеинов. Упрощая, можно сказать, что эти жидкостные фазы чем-то напоминает нефть и воду — и то, и другое — жидкости, но не смешиваются между собой, при формально сходном химическом составе.

Группа г-жи Витч выяснила, что точно в критической точке перехода между этими состояниями (при 25 ˚C) в мембранах образуются небольшие островки флуктуаций, размерами всего в несколько микронов.

Дальнейшие исследования показали, что определённые виды протеинов в мембранах притягиваются к одной из фаз жидкости, в то время как остальные — к другой. Смысл процесса вроде бы сводился к отделению одних протеинов от других. Но он также являлся сигнальной трансдукцией, передачей сигнала о химическом состоянии среды, окружающей клетку. Итак, флуктуации в моменты критической температуры служат для обеспечения сигнализации клетки о тех или иных явлениях окружающей среды.

Чтобы рассчитать силу и конкретные формы таких критических казимировых сил между протеинами, коллега Сары Витч по Корнеллскому университету Бенджамин Мачта использовал для их оценки модель, первоначально разработанную для теории струн. Согласно модели, оказалось, что критические казимировы силы, действующие между протеинами, должны отталкивать одни и притягивать другие. На первый взгляд, это неожиданно, поскольку эффект Казимира говорит только о притяжении между пластинами. На деле всё несколько сложнее. На относительно больших интервалах взаимодействие имеет отталкивающий характер, причём сила отталкивания увеличивается по мере сближения «пластин» (протеинов) и со временем достигает максимума, значение которого возрастает при уменьшении толщины или иных изменений в геометрии «пластин». Поскольку протеины по строению различаются, то между одними из них эффект Казимира (при одинаковых расстояниях) будет реализовываться в отталкивающей форме, а между другими — в притягивающей. При этом силы Казимира в таких случаях в несколько раз превышают всю тепловую энергию протеинов. Причём они не могут быть продуктом какого-то третьего эффекта. Электростатические силы, например, действуют где-то на нанометровых уровнях — в то время как флуктуации между протеинами имеют микронные масштабы.

«Мы обнаружили, что, настраиваясь по критичности, клетки выстраиваются таким образом, чтобы дальнодействующие силы действовали между [их] протеинами», — замечает г-н Мачта.

Такой масштаб влияния критического эффекта Казимира на клетки при комнатной температуре, разумеется, крайне неожидан, и не надо быть провидцем, чтобы предсказать, что критиковать исследователей будет не меньше, чем в свое время Симона Шноля.

Учёные полагают, что одним из конкретных проявлений сил Казимира в клетке является реакция низкохолестериновых клеток, упорно не поглощающих холестерин даже при тесном соседстве с ним (отталкивание «чужих»). Они также считают, что эти же силы вовлечены в процесс… чихания и аллергической реакции. Когда протеины в иммунной клетке реагируют на аллерген, такой как пыльца, они собираются благодаря эффекту Казимира вместе, и процесс «группировки» как-то страгивает гистамины, которые вызывают чихание.

Сара Витч полагает, что иммунные процессы такого рода могут иметь отношение к целому ряду специфических реакций организма и связанных с ними заболеваний, включая аутоиммунные, рак и воспалительные процессы. «Эта работа может пролить свет на то, как липиды влияют на некоторые аспекты этих недугов, — поясняет учёный. — В будущем, возможно, появятся препараты, прицельно воздействующие на липиды ради регулировки взаимодействия между ними и искоренения [соответствующих] заболеваний человека».

Разумеется, если выводы учёных подтвердятся дальнейшими экспериментами in vivo (пока, напомним, они провели их лишь in vitro, с мембранами вне клеток), то целый ряд не вполне понятных процессов в живых клетках может быть существенно прояснён. Напомним, что тот же Шноль считал, что силы такого рода могут влиять на такие необычные механизмы, как биологические часы и пики активности живых организмов.

Соответствующее исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters, а с его препринтом можно ознакомиться здесь.

Подготовлено по материалам Physicsworld.Com.

Эффект Казимира заключается в том, что нулевые (то есть приравниваемые к нулю) флуктуации энергии физического вакуума способны порождать не предусмотренные традиционной физикой макроскопические взаимодействия, которые вынуждают притягиваться две близко расположенные медные пластинки. Между медными пластинками спектр нулевых флуктуаций искажается, и в нём остаются лишь волны (порождаемые флуктуациями вакуума), длины которых меньше ширины зазора между пластинками. В результате возникает сила внешнего давления, вынуждающая пластинки притягиваться друг к другу (обычно при температурах, близких к абсолютному нулю).

Без привлечения квантовой теории объяснить этот эффект невозможно — расстояние между зеркалами достаточно велико, чтобы исключить межмолекулярные и поверхностные силы.

Ну а критический эффект Казимира — это классический аналог квантового явления. В нем эффект наступает не между металлическим пластинами при температурах, близких к абсолютному нулю, а в смешанных жидкостях, находящихся вблизи критической точки двухфазного равновесия жидкость — пар. Жидкость, приближающаяся к критической точке, постепенно разделяется на составляющие, размер и форма которых меняются хаотически, подобно флуктуациям электромагнитного поля в вакууме. Критический эффект Казимира был предсказан в 1978 году Майклом Фишером.

Подобно квантовому эффекту Казимира, две твёрдые поверхности, помещённые рядом в такой жидкости, будут накладывать на неё определённые граничные условия, поскольку только одна фаза жидкой смеси может граничить с ними. В результате между пластинками возникает притягивающая сила.

Немного истории. Эффект, предсказанный голландским физиком Хендриком Казимиром в середине прошлого века, экспериментально был подтверждён лишь в конце 1990-х. Однако ещё до того возникли подозрения о его возможных биологических приложениях. Симон Шноль, работая над докторской диссертацией «Спонтанные обратимые изменения препаратов мышечных белков», обратил внимание на то, что в организмах двух живых подопытных кроликов одновременно измеряемые скорости биохимических процессов имели вроде бы случайный характер, но были очень схожими. Опыты с изолированными ферментами, собственно, и управляющими биохимическими реакциями, дали тот же результат. Скорости ферментативных реакций in vitro изменялись почти синхронно не только в разных частях одного и того же реакционного сосуда, но и в растворах, удалённых друг от друга на значительные расстояния. Учёный назвал это явление «макрофлуктуациями» и предположил их связь с существованием на макроскопическом уровне эффекта, подобного эффекту Казимира (и действующего при обычных температурах), нажив множество оппонентов (в российском научном мире).

Теперь, по всей видимости, этот жребий выпал западным биологам.

Давно известно, что липиды, составляющие мембраны, собираются в группы (кластеры), по размерам в десятки и сотни раз большие, чем одиночные липиды. Однако учёным было не вполне ясно, откуда берётся энергия, необходимая для создания таких групп.

В 2008 году биофизик Сара Витч из Корнеллского университета (США) вместе с коллегами обнаружила небезынтересное явление. При температурах выше 25 ˚C мембраны клеток, взятых (и изолированных) от живых млекопитающих, существуют в одной фазе состояния жидкости, в то время как ниже этой температуры их компоненты разделяются на две фазы, представленные в различных видах липидов и протеинов. Упрощая, можно сказать, что эти жидкостные фазы чем-то напоминает нефть и воду — и то, и другое — жидкости, но не смешиваются между собой, при формально сходном химическом составе.

Группа г-жи Витч выяснила, что точно в критической точке перехода между этими состояниями (при 25 ˚C) в мембранах образуются небольшие островки флуктуаций, размерами всего в несколько микронов.

Дальнейшие исследования показали, что определённые виды протеинов в мембранах притягиваются к одной из фаз жидкости, в то время как остальные — к другой. Смысл процесса вроде бы сводился к отделению одних протеинов от других. Но он также являлся сигнальной трансдукцией, передачей сигнала о химическом состоянии среды, окружающей клетку. Итак, флуктуации в моменты критической температуры служат для обеспечения сигнализации клетки о тех или иных явлениях окружающей среды.

Чтобы рассчитать силу и конкретные формы таких критических казимировых сил между протеинами, коллега Сары Витч по Корнеллскому университету Бенджамин Мачта использовал для их оценки модель, первоначально разработанную для теории струн. Согласно модели, оказалось, что критические казимировы силы, действующие между протеинами, должны отталкивать одни и притягивать другие. На первый взгляд, это неожиданно, поскольку эффект Казимира говорит только о притяжении между пластинами. На деле всё несколько сложнее. На относительно больших интервалах взаимодействие имеет отталкивающий характер, причём сила отталкивания увеличивается по мере сближения «пластин» (протеинов) и со временем достигает максимума, значение которого возрастает при уменьшении толщины или иных изменений в геометрии «пластин». Поскольку протеины по строению различаются, то между одними из них эффект Казимира (при одинаковых расстояниях) будет реализовываться в отталкивающей форме, а между другими — в притягивающей. При этом силы Казимира в таких случаях в несколько раз превышают всю тепловую энергию протеинов. Причём они не могут быть продуктом какого-то третьего эффекта. Электростатические силы, например, действуют где-то на нанометровых уровнях — в то время как флуктуации между протеинами имеют микронные масштабы.

«Мы обнаружили, что, настраиваясь по критичности, клетки выстраиваются таким образом, чтобы дальнодействующие силы действовали между [их] протеинами», — замечает г-н Мачта.

Такой масштаб влияния критического эффекта Казимира на клетки при комнатной температуре, разумеется, крайне неожидан, и не надо быть провидцем, чтобы предсказать, что критиковать исследователей будет не меньше, чем в свое время Симона Шноля.

Учёные полагают, что одним из конкретных проявлений сил Казимира в клетке является реакция низкохолестериновых клеток, упорно не поглощающих холестерин даже при тесном соседстве с ним (отталкивание «чужих»). Они также считают, что эти же силы вовлечены в процесс… чихания и аллергической реакции. Когда протеины в иммунной клетке реагируют на аллерген, такой как пыльца, они собираются благодаря эффекту Казимира вместе, и процесс «группировки» как-то страгивает гистамины, которые вызывают чихание.

Сара Витч полагает, что иммунные процессы такого рода могут иметь отношение к целому ряду специфических реакций организма и связанных с ними заболеваний, включая аутоиммунные, рак и воспалительные процессы. «Эта работа может пролить свет на то, как липиды влияют на некоторые аспекты этих недугов, — поясняет учёный. — В будущем, возможно, появятся препараты, прицельно воздействующие на липиды ради регулировки взаимодействия между ними и искоренения [соответствующих] заболеваний человека».

Разумеется, если выводы учёных подтвердятся дальнейшими экспериментами in vivo (пока, напомним, они провели их лишь in vitro, с мембранами вне клеток), то целый ряд не вполне понятных процессов в живых клетках может быть существенно прояснён. Напомним, что тот же Шноль считал, что силы такого рода могут влиять на такие необычные механизмы, как биологические часы и пики активности живых организмов.

Соответствующее исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters, а с его препринтом можно ознакомиться здесь.

Подготовлено по материалам Physicsworld.Com.