Vid första ögonkastet, ett vargflock har lite att göra med en vinägrett. Dock, ett team som leds av Ramin Golestanian, Direktör vid Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization, har utvecklat en modell som etablerar ett samband mellan rovdjurs och bytes rörelse och segregation av ättika och olja. De utökade en teoretisk ram som fram till nu bara gällde för livlösa materia. Förutom rovdjur och byten, andra levande system som enzymer eller självorganiserande celler kan nu beskrivas.

Ordningen är inte alltid uppenbar vid första anblicken. Om du sprang med ett flock vargar som jagade rådjur, rörelserna verkar oordning. Dock, om jakten observeras från fågelperspektiv och under en längre tid, mönster blir uppenbara i djurens rörelse. Inom fysiken, sådant beteende anses vara ordnat. Men hur kommer denna ordning fram? Ramin Golestanians institution för levande materiefysik är dedikerad till denna fråga och undersöker de fysiska regler som styr rörelse i levande eller aktiva system. Golestanians mål är att avslöja universella egenskaper hos aktiva, levande materia. Detta inkluderar inte bara större organismer som rovdjur och byten utan också bakterier, enzymer och motorproteiner samt artificiella system som mikrorobotar. "När vi beskriver en grupp av sådana aktiva system över stora avstånd och långa tidsperioder, de specifika detaljerna i systemen tappar betydelse. Deras övergripande fördelning i rymden blir slutligen den avgörande egenskapen, "förklarar Golestanian.

Från livlösa till levande system

Hans team i Göttingen har nyligen gjort ett genombrott när det gäller att beskriva levande materia. För att uppnå detta, Suropriya Saha, Jaime Agudo-Canalejo, och Ramin Golestanian började med den välkända beskrivningen av livlösa materiens beteende och utökade det. Huvudpunkten var att ta hänsyn till den grundläggande skillnaden mellan levande och livlös materia. I motsats till livlösa, passiv materia, levande, aktiv materia kan röra sig på egen hand. Fysiker använder Cahn-Hilliard-ekvationen för att beskriva hur livlösa blandningar som en emulsion av olja och vatten separeras.

Karakteriseringen som utvecklades på 1950 -talet anses vara standardmodellen för fasseparation. Den bygger på ömsesidighetsprincipen:Tit for tat. Olja stöter alltså bort vatten på samma sätt som vatten avvisar olja. Dock, detta är inte alltid fallet för levande materia eller aktiva system. Ett rovdjur förföljer sitt byte, medan bytet försöker fly från rovdjuret. Först nyligen har det visats att det finns icke-ömsesidigt (dvs. aktivt) beteende även i rörelsen av de minsta systemen, såsom enzymer. Enzymer kan således koncentrera sig specifikt i enskilda cellområden - något som är nödvändigt för många biologiska processer. Efter denna upptäckt, forskarna i Göttingen undersökte hur stora ackumuleringar av olika enzymer beter sig. Skulle de blanda ihop eller bilda grupper? Skulle nya och oförutsedda egenskaper uppstå? I syfte att besvara dessa frågor, forskargruppen satte igång.

Plötsligt dyker det upp vågor

Den första uppgiften var att modifiera Cahn-Hilliard-ekvationen för att inkludera icke-ömsesidiga interaktioner. Eftersom ekvationen beskriver icke-levande system, passivitetens ömsesidighet är djupt inbäddad i dess struktur. Således, varje process som beskrivs av den slutar i termodynamisk jämvikt. Med andra ord, alla deltagare går slutligen i viloläge. Liv, dock, sker utanför den termodynamiska jämvikten. Detta beror på att levande system inte stannar i vila utan snarare använder energi för att uppnå något (t.ex. sin egen reproduktion). Suropriya Saha och hennes kollegor tar hänsyn till detta beteende genom att utöka Cahn-Hilliard-ekvationen med en parameter som kännetecknar icke-ömsesidiga aktiviteter. På det här sättet, de kan nu också beskriva processer som skiljer sig från passiva processer i någon utsträckning.

Saha och hennes kollegor använde datasimuleringar för att studera effekterna av de införda modifieringarna. "Förvånande, även minimal icke-ömsesidighet leder till radikala avvikelser från beteendet hos passiva system, "säger Saha. Till exempel, forskaren observerade bildandet av resande vågor i en blandning av två olika typer av partiklar. I detta fenomen, band av en komponent jagar banden av den andra komponenten, vilket resulterar i ett mönster av rörliga ränder. Dessutom, komplexa gitter kan bildas i partikelblandningar där små kluster av en komponent jagar grupper av den andra komponenten. Med deras arbete, forskarna hoppas kunna bidra till vetenskapliga framsteg inom både fysik och biologi. Till exempel, den nya modellen kan beskriva och förutsäga olika cellers beteende, bakterie, eller enzymer. "Vi har lärt en gammal hund nya knep med den här modellen, "säger Golestanian." Vår forskning visar att fysik bidrar till vår förståelse av biologi och att de utmaningar som ställs med att studera levande materia öppnar nya vägar för grundforskning inom fysik. ".