«Многоэтажная парковка» объединила клеточную биофизику и ядерную астрофизику

Американские ученые обнаружили сходство конфигураций эндоплазматического ретикулума живых клеток и плотного ядерного вещества в коре нейтронных звезд. Результаты работы опубликованы в журнале Physical Review C.

Эндоплазматический ретикулум (ЭПР) — это органелла эукариотических клеток, которая участвует в синтезе, накоплении, обмене и транспорте белков, липидов, углеводов, стероидов и других веществ. Она представляет собой складчатую мембрану, формирующую так называемые цистерны, отделенные от цитоплазмы. Как показало американо-израильское исследование, опубликованное в 2013 году, структура ЭПР напоминает многоэтажную парковку и представляет собой параллельные слои мембран, соединенные спиральными рампами (рампами Тэрасаки по фамилии первого автора работы). По данным моделирования, такая конфигурация соответствует минимальной эластической энергии поверхностей и краев слоев.

Со схожей структурой столкнулись физики из Калифорнийского технологического института, Университетов Калифорнии и Индианы при молекулярно-динамической симуляции «ядерной пасты». Согласно современным представлениям, этот вид материи с плотностью порядка 10¹⁴ граммов на кубический сантиметр присутствует глубоко в коре нейтронных звезд между поверхностью и ядром из кварк-глюонной плазмы. При такой плотности притягивающие ядерные силы и кулоновское отталкивание имеют сопоставимые значения, и их противодействие приводит к формированию сложных структур из нуклонов (протонов и нейтронов). Эти структуры и получили название «ядерной пасты» из-за сходства с соответствующими макаронными изделиями.

Ученые провели различные симуляции самосборки «ядерной пасты» при барионной плотности в 0,05 частицы на кубический фемтометр и соотношении протонов и нейтронов 40:60. Выяснилось, что в этих условиях модель формирует плоские слои («ядерную лазанью») с толщиной значительно больше одного нуклона, которые соединены спиральными структурами, напоминающими рампы Тэрасаки.

Несмотря на различие в плотности на 14 порядков, «ядерная паста» и биологические липидные мембраны продемонстрировали схожую конфигурацию «многоэтажной парковки», причем геометрия этих структур описывается аналогичными формулами. По мнению ученых, такое сходство указывает на естественное формирование обоих структур в силу их энергетически выгодной геометрии, не зависящей от деталей микроскопических взаимодействий (ядерных и кулоновских сил в случае «ядерной пасты», энтропии воды и сложной структуры макромолекул в случае ЭПР).

Исследователи отмечают, что энергия изгиба, аналогичная эластической энергии мембран ЭПР, может стабилизировать спиральные рампы между слоями «ядерной лазаньи» и обеспечить их широкую распространенность в «ядерной пасте». Если это так, рассеяние электронов с рамп может снижать электрическую и температурную проводимость коры нейтронных звезд, что, в свою очередь, может приводить к охлаждению коры и, возможно, затуханию магнитного поля звезды. Кроме того, конфигурация «многоэтажной парковки» теоретически может обеспечивать «ядерной пасте» сверхпроводимость, влиять на осцилляции в нейтронной звезде (что, возможно, наблюдается как квазипериодические осцилляции во время вспышек магнетаров) и увеличивать механическую прочность коры, позволяя ей выдерживать более высокие горы (на быстро вращающейся нейтронной звезде они могут стать источником гравитационных волн).

Полученные результаты — не первый случай, когда сходство обнаруживали у совершенно разных вещей, на первый взгляд никак не связанных между собой. Так, например, оказалось, что процесс формирования брызг крови при огнестрельном ранении в математическом отношении аналогичен ядерному взрыву и некоторым природным явлениям.

Олег Лищук