LMU-fysiker har visat att topologiska faser kan existera i biologi, och därigenom har de identifierat en koppling mellan fasta tillståndets fysik och biofysik.

Begreppet topologiska fasövergångar har blivit ett viktigt ämne inom teoretisk fysik, och användes först på karakteriseringen av ovanliga materiatillstånd på 1980-talet. Quantum Hall-effekten (QHE) är ett exempel där idéer hämtade från topologi har gett nya insikter i initialt förbryllande fenomen. QHE observeras i atomärt tunna filmer. När dessa, effektivt tvådimensionell, material utsätts för ett jämnt varierande magnetfält, deras elektriska resistans ändras i diskreta steg. Betydelsen av sådana topologiska tillstånd i den kondenserade materiens fysik erkändes genom tilldelningen av 2016 års Nobelpris i fysik till dess upptäckare.

Nu har LMU-fysiker under ledning av professor Erwin Frey använt samma topologiska koncept för att belysa dynamiken i ett biologiskt modellsystem. "Vi frågade om de typer av stegvisa topologiska fasövergångar som upptäckts i fasta tillståndets fysik kunde hittas i biologiska system, säger Philipp Geiger, doktorand i Freys team och gemensam förstaförfattare till den nya studien tillsammans med Johannes Knebel. Det modellsystem som valts för undersökning var ett som Freys grupp tidigare hade använt för att undersöka populationsdynamiken i ekosystem där olika rörliga arter konkurrerar med varandra.

De grundläggande elementen som används för att modellera detta system är rock-paper-saxs (RPS) cykler, som är ett klassiskt inslag i spelteorin. Vart och ett av dessa element (eller strategier) besegrar en av de andra, men dukar under för den tredje. "Från denna grundmodell, vi byggde en interaktionskedja genom att koppla många sådana RPS-cykler till varandra, " Geiger förklarar. "Dessutom, vi gjorde den ursprungliga modellen mycket mer abstrakt till sin karaktär."

I sin abstrakta version av modellen, där arter tävlar om med sina närmaste grannar i dominansförhållanden som styrs av RPS-regler, författarna observerade uppkomsten av en stark grad av polarisering på den ena eller andra sidan av interaktionsgittret. Med andra ord, arter i dessa positioner kom att dominera hela systemet. Huruvida modellens evolutionära dynamik ledde till topppolarisering på vänster eller höger sida av interaktionskedjan visade sig bero enbart på det kvantitativa förhållandet mellan bara två interaktionshastigheter, och dynamiken var annars robust mot små störningar i styrkorna av interaktioner.

Med hjälp av metoder hämtade från fasta tillståndets fysik, Frey och hans kollegor kunde redogöra för polariseringen av den evolutionära dynamiken i termer av topologiska faser, så att förändringar i polarisation kan behandlas på samma sätt som fasövergångar. "Modellen visar för första gången att sådana effekter kan uppstå inom biologin, " säger Frey. "Denna studie kan ses som det första steget mot tillämpningen av begreppet topologiska faser i biologiska system. Det är till och med tänkbart att man skulle kunna använda sig av topologiska faser i samband med analys av genetiska regulatoriska nätverk. Hur sådana faser kan realiseras experimentellt är en intressant fråga och en utmanande uppgift för framtida forskning."