Ett team av forskare på Bilkent har utformat det hittills enklaste experimentella systemet för att identifiera minimikraven för uppkomsten av komplexitet. Deras arbete rapporteras i det aktuella numret av Naturkommunikation .
Även om det är allmänt erkänt att människor är komplexa system som lever ett komplext liv i en komplex miljö, mycket lite är känt om hur komplexitet framträder och hur den kan kontrolleras. Mycket av forskarnas förståelse av denna fråga kommer från modellsystem som mobilautomater, som är så artificiella att de har liten relevans för faktiska fysiska system. I kontrast, verkliga system är så komplicerade att det är svårt att identifiera de väsentliga faktorerna för uppkomsten av komplex dynamik.
Arbetet från Bilkent -forskarna har avslöjat att det bara räcker med att lysa en laser på en kolloidal lösning för att observera en mycket rik uppsättning komplexa beteenden, visar att partiklar kan bilda autokatalytiska aggregat som kan självreglera, självläka, självreplicera och migrera. Ganska lik levande organismer, dessa aggregat kan också ta väldigt många olika mönster som konkurrerar om begränsade resurser, som ofta slutar med att de starkaste överlever och "mindre" framgångsrika konkurrenters "död".
Dr Serim Ilday vid Institutionen för fysik, vem är huvudförfattare till tidningen, förklarade bakgrunden till studien på detta sätt:"Naturen är den ultimata källan till komplexitet, och vi vet att naturen inte mikromanerar komplexitet. Naturen sätter reglerna och låter systemets dynamik hantera resten av detaljerna. Vi ville anta detta perspektiv och sätta två generella, enkla regler för systemet att lyda:Konvektiva krafter skapade av lasern kommer att främja bildandet och tillväxten av aggregaten, och den inneboende starka bruniska rörelsen [slumpmässig rörelse av partiklar i en vätska] av partiklarna kommer att motverka den. Resten organiseras genom att styra dessa positiva och negativa återkopplingsmekanismer med endast två parametrar:laserkraft och strålposition. "
Tidigare försök att identifiera de grundläggande mekanismerna för komplexitetens framväxt har inte varit fullt framgångsrika eftersom de var starkt beroende av komplicerade mekanismer som krävde nästan absolut kontroll över ett komplext system. "Det är just därför vi undvek att använda funktionaliserade partiklar eller specifika kemikalier, magnetisk, optiska eller elektriska interaktioner, "sade professor F. Ömer Ilday, medförfattare till uppsatsen och medlem av avdelningarna för elektroteknik och elektronik och fysik.
Systemet fungerar på ungefär samma sätt som en ångmaskin. Lasern skapar en hot spot, medan resten av systemet är kallt. En konvektion från varma till kalla former, som bär runt partiklarna. När lasern är avstängd, konvektionen stannar och partiklarna sprids på grund av termiskt brus eller brunisk rörelse. "Att använda buller som ett verktyg för att kontrollera komplexa beteenden var en okonventionell metod, "sade prof. Ilday." Slumpmässighet är motsatsen till kontroll för konstgjorda system; ingenjörer arbetar hårt för att undertrycka det. Det är motsatsen för biologiska system; livet frodas med och inom fluktuationer. I alla fall, Att undvika fluktuationer är helt enkelt inte möjligt i mycket små skalor. "
En annan medförfattare, avdelningschef för fysik professor Oguz Gulseren, Lagt till, "På grund av starka fluktuationer, vi har rekordsnabb kinetik; allt händer på några sekunder. Detta gör att vi kan utforska en storleksordning större del av fasutrymmet, vilket är avgörande för att demonstrera rikare dynamik. "
Genom att det är enkelt och i stort sett oberoende av typen, form eller storlek på det material som används, arbetet har stor potential att påverka ett stort antal forskningsområden, allt från aktiv substans till icke-jämvikt statistisk fysik, och bortom det till supramolekylär eller systemkemi.
Som professor Ilday konstaterade, "Eftersom vatten inte bryr sig om vad det bär, metoden kan i princip tillämpas på många olika typer av material, levande och levande lika. I själva verket, " han fortsatte, med hänvisning till en uppföljningsstudie som teamet arbetar med, "vi har redan börjat visa evolution."
