Ny model, der beskriver organiseringen af ​​organismer, kunne føre til en bedre forståelse af biologiske processer

Ved første øjekast, en flok ulve har ikke meget med en vinaigrette at gøre. Imidlertid, et hold ledet af Ramin Golestanian, Direktør ved Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organisation, har udviklet en model, der etablerer en forbindelse mellem rovdyrs og byttes bevægelse og adskillelse af eddike og olie. De udvidede en teoretisk ramme, der indtil nu kun var gyldig for livløst stof. Ud over rovdyr og byttedyr, andre levende systemer såsom enzymer eller selvorganiserende celler kan nu beskrives.

Ordren er ikke altid tydelig ved første øjekast. Hvis du løb med en flok ulve på jagt efter hjorte, bevægelserne ville virke uordnede. Imidlertid, hvis jagten observeres fra fugleperspektiv og over længere tid, mønstre bliver tydelige i dyrenes bevægelser. I fysik, sådan adfærd anses for at være ordnet. Men hvordan opstår denne rækkefølge? Ramin Golestanian's Institut for Livsstoffysik er dedikeret til dette spørgsmål og undersøger de fysiske regler, der styrer bevægelse i levende eller aktive systemer. Golestanians mål er at afsløre universelle karakteristika for aktiv, levende stof. Dette omfatter ikke kun større organismer som rovdyr og byttedyr, men også bakterier, enzymer og motorproteiner samt kunstige systemer som mikrorobotter. "Når vi beskriver en gruppe af sådanne aktive systemer over store afstande og lange perioder, de specifikke detaljer i systemerne mister betydning. Deres samlede fordeling i rummet bliver i sidste ende det afgørende kendetegn, " forklarer Golestanian.

Fra livløst til levende system

Hans team i Göttingen har for nylig fået et gennembrud i beskrivelsen af ​​levende stof. For at opnå dette, Suropriya Saha, Jaime Agudo-Canalejo, og Ramin Golestanian startede med den velkendte beskrivelse af livløst stofs adfærd og udvidede den. Hovedpointen var at tage højde for den grundlæggende forskel mellem levende og livløst stof. I modsætning til livløse, passivt stof, levende, aktivt stof kan bevæge sig af sig selv. Fysikere bruger Cahn-Hilliard-ligningen til at beskrive, hvordan livløse blandinger såsom en emulsion af olie og vand adskilles.

Karakteriseringen udviklet i 1950'erne betragtes som standardmodellen for faseadskillelse. Det er baseret på princippet om gensidighed:Tit for tat. Olie afviser altså vand på samme måde som vand afviser olie. Imidlertid, dette er ikke altid tilfældet for levende stof eller aktive systemer. Et rovdyr forfølger sit bytte, mens byttet forsøger at flygte fra rovdyret. Først for nylig er det blevet vist, at der er ikke-gensidig (dvs. aktiv) adfærd selv i bevægelsen af ​​de mindste systemer såsom enzymer. Enzymer kan således koncentrere sig specifikt i de enkelte celleområder - noget, der er nødvendigt for mange biologiske processer. Efter denne opdagelse, Göttingen-forskerne undersøgte, hvordan store ophobninger af forskellige enzymer opfører sig. Ville de blande sig eller danne grupper? Ville der opstå nye og uforudsete egenskaber? Med det formål at besvare disse spørgsmål, forskerholdet gik i gang.

Pludselig dukker bølger op

Den første opgave var at ændre Cahn-Hilliard-ligningen til at inkludere ikke-gensidige interaktioner. Fordi ligningen beskriver ikke-levende systemer, gensidigheden af ​​passive interaktioner er dybt indlejret i dens struktur. Dermed, hver proces beskrevet af den ender i termodynamisk ligevægt. Med andre ord, alle deltagere kommer i sidste ende i en hviletilstand. Liv, imidlertid, foregår uden for den termodynamiske ligevægt. Dette skyldes, at levende systemer ikke forbliver i ro, men snarere bruger energi for at opnå noget (f.eks. deres egen reproduktion). Suropriya Saha og hendes kolleger tager højde for denne adfærd ved at udvide Cahn-Hilliard-ligningen med en parameter, der karakteriserer ikke-gensidige aktiviteter. På denne måde de kan nu også beskrive processer, der i nogen grad adskiller sig fra passive processer.

Saha og hendes kolleger brugte computersimuleringer til at studere virkningerne af de indførte modifikationer. "Overraskende nok, selv minimal ikke-gensidighed fører til radikale afvigelser fra passive systemers adfærd, " siger Saha. F.eks. forskeren observerede dannelsen af ​​vandrende bølger i en blanding af to forskellige typer partikler. I dette fænomen, bånd af den ene komponent jager båndene på den anden komponent, hvilket resulterer i et mønster af bevægelige striber. Ud over, komplekse gitter kan dannes i partikelblandinger, hvor små klynger af den ene komponent jager grupper af den anden komponent. Med deres arbejde, forskerne håber at kunne bidrage til videnskabelige fremskridt inden for både fysik og biologi. For eksempel, den nye model kan beskrive og forudsige forskellige cellers adfærd, bakterie, eller enzymer. "Vi har lært en gammel hund nye tricks med denne model, " siger Golestanian. "Vores forskning viser, at fysik bidrager til vores forståelse af biologi, og at udfordringerne ved at studere levende stof åbner nye veje for grundforskning i fysik."