Wij mensen zijn misschien meer afgestemd op het universum dan we ons realiseren. Volgens onderzoek gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordeling C , neutronensterren en celcytoplasma hebben iets gemeen:structuren die lijken op parkeergarages met meerdere verdiepingen.

In 2014, UC Santa Barbara, fysicus van de zachte gecondenseerde materie, Greg Huber en collega's, onderzochten de biofysica van dergelijke vormen - helices die stapels gelijkmatig verdeelde vellen met elkaar verbinden - in een cellulair organel dat het endoplasmatisch reticulum (ER) wordt genoemd. Huber en zijn collega's noemden ze Terasaki-hellingen naar hun ontdekker, Mark Terasaki, een celbioloog aan de Universiteit van Connecticut.

Huber dacht dat deze "parkeergarages" uniek waren voor zachte materie (zoals het interieur van cellen) totdat hij het werk van kernfysicus Charles Horowitz aan de Indiana University ontdekte. Met behulp van computersimulaties, Horowitz en zijn team hadden dezelfde vormen diep in de korst van neutronensterren gevonden.

"Ik belde Chuck en vroeg of hij wist dat we deze structuren in cellen hadden gezien en een model voor hen hadden bedacht, " zei Huber, de adjunct-directeur van UCSB's Kavli Institute for Theoretical Physics (KITP). "Het was nieuws voor hem, dus ik realiseerde me toen dat er een vruchtbare interactie zou kunnen zijn."

De resulterende samenwerking, gemarkeerd in Fysieke beoordeling C , onderzocht de relatie tussen twee zeer verschillende modellen van materie.

Kernfysici hebben een toepasselijke terminologie voor de hele klasse van vormen die ze zien in hun krachtige computersimulaties van neutronensterren:nucleaire pasta. Deze omvatten buizen (spaghetti) en parallelle vellen (lasagne) verbonden door spiraalvormige vormen die lijken op Terasaki-hellingen.

"Ze zien een verscheidenheid aan vormen die we in de cel zien, Huber uitgelegd. "We zien een buisvormig netwerk; we zien parallelle bladen. We zien platen met elkaar verbonden door topologische defecten die we Terasaki-hellingen noemen. Dus de parallellen zijn behoorlijk diep."

Echter, verschillen zijn te vinden in de onderliggende fysica. Typisch wordt materie gekenmerkt door zijn fase, die afhangt van thermodynamische variabelen:dichtheid (of volume), temperatuur en druk-factoren die sterk verschillen op nucleair niveau en in een intracellulaire context.

"Voor neutronensterren, de sterke kernkracht en de elektromagnetische kracht creëren wat fundamenteel een kwantummechanisch probleem is, Huber legde uit. "In het binnenste van cellen, de krachten die membranen bij elkaar houden zijn fundamenteel entropisch en hebben te maken met het minimaliseren van de totale vrije energie van het systeem. Op het eerste gezicht, deze kunnen niet meer verschillend zijn."

Een ander verschil is de schaal. In het nucleaire geval de structuren zijn gebaseerd op nucleonen zoals protonen en neutronen en die bouwstenen worden gemeten met femtometers (10-15). Voor intracellulaire membranen zoals het ER, de lengteschaal is nanometer (10-9). De verhouding tussen de twee is een factor van een miljoen (10-6), toch maken deze twee totaal verschillende regimes dezelfde vormen.

"Dit betekent dat er iets diepzinnigs is dat we niet begrijpen over het modelleren van het nucleaire systeem, Huber zei. "Als je een dichte verzameling protonen en neutronen hebt, zoals op het oppervlak van een neutronenster, de sterke kernkracht en de elektromagnetische krachten werken samen om je fasen van materie te geven die je niet zou kunnen voorspellen als je alleen maar had gekeken naar die krachten die op kleine verzamelingen neutronen en protonen werken."

De gelijkenis van de structuren is boeiend voor zowel theoretische als kernfysici. Kernfysicus Martin Savage was bij het KITP toen hij graphics tegenkwam uit het nieuwe artikel over arXiv, een preprint-bibliotheek die duizenden fysica, wiskunde en informatica artikelen. Meteen was zijn interesse gewekt.

"Dat soortgelijke fasen van materie zich voordoen in biologische systemen was zeer verrassend voor mij, " zei Savage, een professor aan de Universiteit van Washington. "Er is hier duidelijk iets interessants aan de hand."

Co-auteur Horowitz was het daarmee eens. "Het zien van zeer vergelijkbare vormen in zulke opvallend verschillende systemen suggereert dat de energie van een systeem op een eenvoudige en universele manier kan afhangen van zijn vorm, " hij zei.

Huber merkte op dat deze overeenkomsten nog steeds nogal mysterieus zijn. "Onze krant is niet het einde van iets, " zei hij. "Het is echt het begin van het kijken naar deze twee modellen."