Topologiske faser i biologiske systemer

LMU-fysikere har vist, at topologiske faser kunne eksistere i biologi, og dermed har de identificeret en sammenhæng mellem faststoffysik og biofysik.

Begrebet topologiske faseovergange er blevet et vigtigt emne i teoretisk fysik, og blev første gang anvendt til karakterisering af usædvanlige stoftilstande i 1980'erne. Kvante Hall-effekten (QHE) er et eksempel, hvor ideer hentet fra topologi har givet ny indsigt i oprindeligt gådefulde fænomener. QHE observeres i atomisk tynde film. Når disse, effektivt todimensionelt, materialer udsættes for et jævnt varierende magnetfelt, deres elektriske modstand ændres i diskrete trin. Betydningen af ​​sådanne topologiske tilstande i fysik af kondenseret stof blev anerkendt ved tildelingen af ​​2016 Nobelprisen i fysik til dens opdagere.

Nu har LMU-fysikere ledet af professor Erwin Frey brugt det samme topologiske koncept til at belyse dynamikken i et biologisk modelsystem. "Vi spurgte, om den slags trinvise topologiske faseovergange opdaget i faststoffysik kunne findes i biologiske systemer, " siger Philipp Geiger, en ph.d.-studerende i Freys team og fælles førsteforfatter på det nye studie sammen med Johannes Knebel. Det modelsystem, der blev valgt til undersøgelse, var et, som Freys gruppe tidligere havde brugt til at undersøge populationsdynamikken i økosystemer, hvor forskellige mobile arter konkurrerer med hinanden.

De grundlæggende elementer, der bruges til at modellere dette system, er sten-papir-saks (RPS) cyklusser, som er et klassisk element i spilteorien. Hvert af disse elementer (eller strategier) besejrer en af ​​de andre, men bukker under for den tredje. "Fra denne grundlæggende model, vi byggede en interaktionskæde ved at forbinde mange sådanne RPS-cyklusser med hinanden, " Geiger forklarer. "Desuden, vi gjorde den originale model meget mere abstrakt af karakter."

I deres abstrakte version af modellen, hvor arter konkurrerer om med deres nærmeste naboer i dominansforhold, der er styret af RPS regler, forfatterne observerede fremkomsten af ​​en stærk grad af polarisering på den ene eller anden side af interaktionsgitteret. Med andre ord, arter i disse positioner kom til at dominere hele systemet. Hvorvidt modellens evolutionære dynamik førte til toppolarisering på venstre eller højre side af interaktionskæden viste sig udelukkende at afhænge af det kvantitative forhold mellem kun to interaktionshastigheder, og dynamikken var ellers robust mod små forstyrrelser i styrker af interaktioner.

Ved hjælp af metoder hentet fra faststoffysik, Frey og hans kolleger var i stand til at redegøre for polariseringen af ​​den evolutionære dynamik i form af topologiske faser, sådan at ændringer i polarisering kunne behandles på samme måde som faseovergange. "Modellen viser for første gang, at sådanne effekter kan forekomme i biologien, " siger Frey. "Denne undersøgelse kan ses som det første skridt mod anvendelsen af ​​begrebet topologiske faser i biologiske systemer. Det er endda tænkeligt, at man kunne gøre brug af topologiske faser i forbindelse med analyse af genetiske regulatoriske netværk. Hvordan sådanne faser kan realiseres eksperimentelt er et interessant spørgsmål og en udfordrende opgave for fremtidig forskning."