Identificering af minimumskravene til fremkomsten af ​​kompleksitet

Et team af forskere på Bilkent har designet det hidtil enkleste eksperimentelle system til at identificere minimumskravene til kompleksitetens fremkomst. Deres arbejde er rapporteret i det aktuelle nummer af Naturkommunikation .

Selvom det er universelt anerkendt, at mennesker er komplekse systemer, der lever et komplekst liv i et komplekst miljø, meget lidt er kendt om, hvordan kompleksitet opstår, og hvordan den kan kontrolleres. Meget af forskernes forståelse af dette spørgsmål stammer fra modelsystemer såsom mobilautomater, som er så kunstige, at de har ringe relevans for egentlige fysiske systemer. I modsætning, virkelige systemer er så komplicerede, at det er svært at præcisere de væsentlige faktorer for fremkomsten af ​​kompleks dynamik.

Bilkent -forskernes arbejde har afsløret, at blot at skinne en laser på en kolloid løsning er nok til at observere et meget rigt sæt kompleks adfærd, viser, at partikler kan danne autokatalytiske aggregater, der kan selvregulere, selvhelbred, selvrepliker og migrer. Ganske ligner levende organismer, disse aggregater kan også tage meget mange forskellige mønstre, der konkurrerer om begrænsede ressourcer, som ofte ender med at de stærkeste overlever og "mindre vellykkede" konkurrenters "død".

Dr. Serim Ilday fra Institut for Fysik, hvem er hovedforfatter til papiret, forklarede baggrunden for undersøgelsen på denne måde:"Naturen er den ultimative kilde til kompleksitet, og vi ved, at naturen ikke mikromanerer kompleksitet. Naturen sætter reglerne og lader systemets dynamik håndtere resten af ​​detaljerne. Vi ønskede at vedtage dette perspektiv og sætte to generelle, enkle regler for systemet til at adlyde:Konvektive kræfter skabt af laseren vil fremme dannelse og vækst af aggregaterne, og den iboende stærke browniske bevægelse [tilfældig bevægelse af partikler i en væske] af partiklerne vil arbejde imod det. Resten er orkestreret ved at kontrollere disse positive og negative feedbackmekanismer ved hjælp af kun to parametre:laserkraft og stråleposition. "

Tidligere forsøg på at identificere de grundlæggende mekanismer for kompleksitetens fremkomst har ikke været fuldt ud vellykket, da de var stærkt afhængige af komplicerede mekanismer, der krævede næsten absolut kontrol over et komplekst system. "Det er netop derfor, vi undgik at bruge funktionaliserede partikler eller specifikke kemikalier, magnetisk, optiske eller elektriske interaktioner, "sagde professor F. Ömer Ilday, medforfatter af papiret og medlem af afdelingerne for Elektroteknik og Elektronik og Fysik.

Systemet fungerer nogenlunde på samme måde som en dampmaskine. Laseren skaber et hot spot, mens resten af ​​systemet er koldt. En konvektion fra varme til kolde former, som bærer partiklerne rundt. Når laseren er slukket, konvektionen stopper og partiklerne spredes på grund af termisk støj eller brunisk bevægelse. "Brug af støj som et redskab til at kontrollere kompleks adfærd var en utraditionel tilgang, "sagde prof. Ilday." Tilfældighed er modsætningen til kontrol af menneskeskabte systemer; ingeniører arbejder hårdt på at undertrykke det. Det er det modsatte for biologiske systemer; livet trives med og inden for udsving. I hvert fald, at undgå udsving er simpelthen ikke muligt i meget små skalaer. "

En anden medforfatter, afdelingsleder for fysik professor Oguz Gulseren, tilføjet, "På grund af stærke udsving, vi har rekordhurtige kinetik; alt sker på sekunder. Dette giver os mulighed for at udforske en størrelsesorden større del af faserummet, hvilket er afgørende for at demonstrere rigere dynamik. "

I og med at det er enkelt og stort set uafhængigt af typen, form eller størrelse af det anvendte materiale arbejdet har stort potentiale til at påvirke en lang række forskningsområder, lige fra aktivt stof til ikke-ligevægtsstatistisk fysik, og ud over det til supramolekylær eller systemkemi.

Som professor Ilday bemærkede, "Da vand er ligeglad med, hvad det bærer, metoden kan principielt anvendes på mange forskellige materialetyper, lever og lever ens. Faktisk, "fortsatte han, henviser til en opfølgende undersøgelse, teamet arbejder på, "vi er allerede begyndt at vise evolution."