كيف يتم تنظيم الهياكل الشبيهة بمواقف السيارات والتي تستخدم لنقل المواد داخل الخلية
من أجل تخطيط موقف سيارات متعدد الطوابق، يجب على المرء أولاً أن يفهم الحد الأقصى لعدد السيارات التي يمكن حشرها في أصغر مساحة ممكنة، مع ضمان حرية الحركة بين الطوابق المختلفة. الهياكل الشبيهة بالمرآب في الخلايا النباتية والحيوانية لها وظيفة مماثلة: فهي مبنية كطبقات رقيقة ومسطحة، متصلة عن طريق "سلالم" حلزونية، والتي تسمح بحرية حركة الجزيئات ونقل المواد المختلفة. ففي الخلايا البشرية، على سبيل المثال، تساعد هذه الهياكل في الحركة اللازمة لإنتاج البروتينات وطيّها. في الخلايا النباتية، يقومون بتخزين المواد اللازمة لعملية التمثيل الضوئي.
سلالم متحركة
المنحدرات الموجودة في مواقف السيارات مصبوبة بالخرسانة ومثبتة في مكانها. ولكن نظرًا لأن مواقف السيارات البيولوجية تتكون من أغشية ناعمة، فإن المنحدرات الناتجة قادرة على التحرك وتغيير موضعها حسب الحاجة. تحدد القوى الدقيقة حركة المنحدرات البيولوجية، ولكن لفهم هذه القوى، يجب على المرء أولاً فك تركيبها الهندسي. في دراسة جديدة نشرت مؤخرا، الدكتور إيفي افراتي واكتشفت طالبة أبحاث ما بعد الدكتوراه، الدكتورة لويز دي سيلفا، من قسم فيزياء الأنظمة المعقدة في معهد وايزمان للعلوم، أنه لا توجد أدوات رياضية مناسبة لوصف الظاهرة - لذلك، قاموا بتطوير أدوات جديدة بأنفسهم.
يتعاون الدكتور إفراتي منذ عدة سنوات مع البروفيسور زيف رايخ، من قسم العلوم الجزيئية الحيوية، في بحث يتناول الهياكل الشبيهة بالمرآب والتي تسمى الثايلاكويدات. في هذه الهياكل الموجودة في الخلايا النباتية وخلايا الطحالب الخضراء، يحدث جزء من عملية التمثيل الضوئي. يسمح هيكل الثايلاكويدات بضغط مساحة كبيرة من السطح في مساحة صغيرة.
أظهرت إعادة بناء بنية الثايلاكويدات، والتي نفذتها مجموعة أبحاث البروفيسور رايخ باستخدام المجهر الإلكتروني، أن الثايلاكويدات منظمة في أسطح صغيرة - الأسطح التي يتم إنشاؤها في النظم البيولوجية، وتوجد أيضًا في الهياكل الاصطناعية، التي تمتد على مدى أصغر مساحة ضمن حدود معينة. حتى أن العلماء اكتشفوا أن المنحدرات في هذه المباني قادرة على الانحناء إلى اليسار أو اليمين، بزوايا مختلفة. أتاحت الأدوات المادية الموجودة وصف ميل المنحدر، ولكن من أجل فهم كيفية وضع الهياكل المختلفة في الفضاء، وما الذي يحدد العلاقة بين المنحدر وقطر المنحدر، كان على العلماء تطوير أدوات جديدة - أكثر دقة - الأدوات.
السطح الأكثر دراسة في عالم الرياضيات
تم اكتشاف الأسطح البسيطة لأول مرة في القرن الثامن عشر، وهي على ما يبدو أكثر أنواع الأسطح التي تمت دراستها في عالم الرياضيات. إن أفضل طريقة لترتيب سطح الحد الأدنى باستخدام منحدر حلزوني، على سبيل المثال، معروفة منذ 18 عامًا. وفي الوقت نفسه، فإن بناء سطح بسيط يذكرنا بالشكل الهندسي الملتوي للثايلاكويد هو قصة مختلفة تمامًا. يقول الدكتور إفراتي: "كعلماء فيزياء، لدينا ميل لاستخدام التقديرات التقريبية". "لقد بدأنا بتصميم نظام يعتمد على تقريب رياضي شائع لحساب الأسطح الدنيا". سمح لهم التقريب بوضع الزخارف الحلزونية بشكل تعسفي وبناء "مواقف سيارات" هندسية معقدة، لكن الهياكل الناتجة لم تندرج تحت تعريف الأسطح البسيطة. "لقد اكتشفنا أن التقريبات تكون مناسبة فقط عندما تكون المباني بعيدة عن بعضها البعض."
وبدلاً من البدء من الصفر، حاول الدكتور دا سيلفا والدكتور إفراتي إيجاد طريقة لتصحيح التقريب. "لقد بدت النتيجة كما أردنا، ولكن مع وجود اختلافات طفيفة، لذلك استخدمناها كنقطة انطلاق للحسابات التي أجريناها." وأخيرا، وجد العلماء الحل: خدعة تأخذ في الاعتبار تقريب السطح بأكمله ومنحدراته الحلزونية، ثم تحسب بشكل منفصل انحناء كل نقطة على السطح. وكانت النتيجة التي تم الحصول عليها هي سطح الحد الأدنى الدقيق مع الهياكل الحلزونية المطلوبة المضمنة فيه.
بالإضافة إلى أن النموذج الذي طوره الدكتور إفراتي والدكتور دي سيلفا يتيح البناء الدقيق لسطح صغير بخصائص هندسية معقدة، فإنه سيسمح أيضًا لعلماء الأحياء بإجراء تحليل كمي لعضيات الخلية. نظرًا لوجود هياكل تشبه مرآب السيارات من هذا النوع في العديد من الأنظمة البيولوجية، فإن البحث الجديد يجعل من الممكن فهم بنية العضيات المهمة في الخلايا مثل الثايلاكويد بشكل أفضل، وقد يجعل من الممكن أيضًا تصميم هياكل مجهرية اصطناعية ذات هياكل مماثلة. صفات.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
