Фізики з Франції та США побудували теоретичну модель, яка оцінює похибку, з якою клітина оцінює концентрацію молекул-подразників у змінному навколишньому середовищі. У цій моделі клітини набагато більш чутливі до слабких коливань концентрації подразника в сильно розведеному розчині, ніж у моделі з фіксованою концентрацією (що узгоджується зі спостереженнями біологів). Стаття опублікована в, коротко про неї повідомляє, препринт роботи викладено на сайті arXiv.org.
Щоб вижити в мінливому середовищі, одноклітинні організми навчилися реагувати на зовнішні подразники. Наприклад, інфузорія туфелька відчуває, що запливла в область з підвищеною концентрацією солі, і намагається втекти в менш солоні краї. Очевидно, що клітина розпізнає домішки хімічних сполук за допомогою рецепторів, розташованих на її поверхні. Проте, вчені досі погано розуміють, як саме молекули речовин зв'язуються з рецепторами.
Довгий час дослідники вважали, що відгук рецептора залежить тільки від середньої концентрації речовини-подразника, проте нещодавно біологи з'ясували, що насправді клітини також відчувають швидкі зміни концентрації в часі. Зокрема, додаткова тимчасова інформація допомагає клітині точніше оцінити концентрацію важливих речовин, забруднених схожими домішками, і зменшити число різних видів рецепторів. Без цієї інформації мікроогранізми не могли б переміщатися по складних середовищах, в яких концентрація речовин змінюється з характерним часом близько декількох секунд. На жаль, всі теоретичні моделі, присвячені зв'язуванню рецепторів і молекул подразників, упускають такі зміни, оскільки вважають концентрацію подразників постійною (або, принаймні, передбачуваною - наприклад, лінійно зростаючою з часом). Тому передбачення таких моделей можна застосовувати на практиці тільки в обмеженому числі випадків.
Фізики Тьєррі Мора (Thierry Mora) і Ілля Неменаман (Ilya Nemenman) побудували першу теоретичну модель, яка описує реакцію рецепторів на часові коливання концентрації подразника. Щоб застосувати методи з інших областей фізики, вчені перейшли від змінної концентрації до змінного поля, пов'язаного з концентрацією експоненціюванням ((() = 0 ‑ ()). Вважаючи, що рецептор являє собою плоске однорідне коло, розташоване на поверхні клітини, дослідники оцінили швидкість зв'язування лігандів з рецептором. Крім того, вчені припустили, що зміни поля являють собою випадкові блукання в часі з фіксованим часовим масштабом. Надалі фізики оцінювали, при якому мінімальному масштабі клітина все ще здатна відчути коливання концентрації.
У рамках запропонованого підходу вчені розрахували ймовірність того, що концентрація випливає деякої функції від часу, припустили, що рецептор зв'язується з молекулами в задані моменти часу, і розрахували апостеріорні ймовірності того, що реалізується той чи інший профіль концентрацій. Для простоти фізики вважали, що після зв'язування молекули відразу ж відвалюються від рецептора. Потім дослідники спробували передбачити ймовірності для майбутнього розподілу концентрацій, відштовхуючись від даних, зібраних за деякий часовий проміжок. В результаті вчені отримали складне нелінійне рівняння. Щоб вирішити це рівняння, дослідники підставили в нього гауссів анзац - розподіл ймовірностей, який залежить від середнього значення поля і його дисперсії. В результаті вчені отримали систему з двох диференційних рівнянь першого порядку. Вирішуючи цю систему, фізики оцінили абсолютну помилку, з якою запропонована модель пророкує змінний профіль поля.
Припускаючи, що швидкість зв'язування рецептора з молекулами подразника більше характерного часу коливань його концентрації, вчені знайшли відносну помилку, з якою молекула оцінює концентрацію молекул. Виявилося, що вона назад пропорційна кореню четвертого ступеня з концентрації і швидкості зв'язування. Ця оцінка відмінно узгоджується з результатами чисельного моделювання, виконаного в тих же наближеннях. У той же час, в стандартній моделі, яка вважає концентрацію постійною, відносна помилка назад пропорційна квадратному кореню ступеня з концентрації і швидкості зв'язування. Іншими словами, уточнена модель показує, що клітина відчуває набагато більш слабкі коливання подразника, що виникають в сильно розлучених розчинах.
Нарешті, фізики застосували побудовану модель до правдоподібної біологічної системи - біохімічної мережі, що описує передачу сигналів всередині клітини. У цьому випадку вчені також отримали схожу оцінку на чутливість клітини, яка збігалася з результатами чисельного моделювання.
Фізики часто цікавляться біологічними системами, іноді в медичних цілях. Наприклад, у серпні 2015 року дослідники з США і Китаю розробили новий вид оптичної мікроскопії, що перевищує межу дифракції, і зняли за його допомогою рух білків у клітці. У квітні минулого року біофізики з Німеччини та Нідерландів побудували теоретичну модель, яка описує зміну довжини мікротрубочок, зокрема, при формуванні веретену поділу під час мітозу. А в листопаді того ж року японські вчені виміряли, як «крокуючий білок» кінезин використовує енергію АТФ, і виявили, що на «корисну роботу» йде менше 20 відсотків отриманої енергії. Пояснити таку низьку ефективність білка вчені не змогли, хоча й підігнали отримані результати під просту теоретичну модель.