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物理学家开发描述生物系统长度增长的模型

“奶奶,你为什么要这么大的耳朵?” 这是文学中最着名的问题之一,当然是红骑兜帽,因为她犹豫地观察着穿着祖母衣服的狼。如果红帽是一名物理学家,她可能会问:'祖母,为什么你的两只耳朵长度完全一样?' 长期以来,科学家们已经意识到这个“长度问题”,但在二十世纪的大部分时间里,它基本上被忽视了。

物理学家开发描述生物系统长度增长的模型

1998年获得诺贝尔物理学奖的Robert B. Laughlin写了一篇关于这个主题的有趣论文。 在“临界波和生物学的长度问题”中,劳克林指出,长期以来,在了解生物如何调节其长度方面没有取得重大进展。他提出,生物可以自我调整,一旦获得这些信息,他们就可以做出相应的反应 - 例如,一旦这些肢体达到“理想”的大小,就停止长出手臂或腿。

萨尔大学的物理学家已经掌握了这些想法并开发了一个数学模型,可以用来描述生物系统如何测量它们的长度。研究生Frederic Folz在他的硕士论文中解决了这个问题,现在在 理论量子物理学教授Giovanna Morigi,理论教授Karsten Kruse共同撰写的论文中,将这一结果发表在备受好评的期刊“ 物理评论”中。生物物理学和Lukas Wettmann,Kruse小组的博士生。

科学家们选择研究轴突作为他们的模型系统。轴突是神经细胞(神经元)的关键组成部分。轴突作为神经细胞之间的联系,使电信号从一个神经元传递到另一个神经元。由于轴突的长度可以从几微米到几米不等,因此生物体必须具有一些控制特定轴突应该生长多长时间的方法。“我们已经设法开发了一种机制模型,解释了生物体如何做到这一点。该模型不仅解释了神经元如何确定自己的长度,还可以推广到其他生物系统,“Frederic Folz解释说。

调节生物系统生长的化学信号分子的行为方式如下:'分子以化学波的形式通过系统扩散,直到它们到达轴突的末端,'Folz说。如果这个“分子波”返回其原点的频率很高,那么波通过的生物结构很短; 如果这种循环的频率很低,则化学品返回需要更长的时间,并且结构相应地大。分子在细菌内移动几微米所需的时间少于从根部到橡树树冠的行进时间。物理学家使用数学模型描述了这种机制。

研究人员推测,生物系统,例如树,人或细胞,可以“测量”这些周期的频率,因此可以确定并因此控制叶子或腿的长度。

他们的工作对未来对各种疾病的研究具有根本重要性。“我们的模型还可用于电子行业,以调节不同的物理量,”Folz说。该模型还包含可以描述互联网动态的元素,更一般地说,其他人工网络,可以很好地形成这些领域的进一步发展和改进的基础。

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