Een team van wetenschappers van Bilkent heeft het eenvoudigste experimentele systeem tot nu toe ontworpen om de minimumvereisten voor het ontstaan ​​van complexiteit te identificeren. Over hun werk wordt gerapporteerd in het huidige nummer van Natuurcommunicatie .

Hoewel algemeen wordt erkend dat mensen complexe systemen zijn die een complex leven leiden in een complexe omgeving, er is heel weinig bekend over hoe complexiteit ontstaat en hoe deze kan worden gecontroleerd. Een groot deel van het begrip van wetenschappers over deze kwestie komt van modelsystemen zoals cellulaire automaten, die zo kunstmatig zijn dat ze weinig relevant zijn voor werkelijke fysieke systemen. In tegenstelling tot, real-life systemen zijn zo ingewikkeld dat het moeilijk is om de essentiële factoren voor het ontstaan ​​van complexe dynamiek aan te wijzen.

Het werk van de Bilkent-onderzoekers heeft onthuld dat het eenvoudigweg schijnen van een laser op een colloïdale oplossing voldoende is om een ​​zeer rijke reeks complexe gedragingen waar te nemen, waaruit blijkt dat deeltjes autokatalytische aggregaten kunnen vormen die zichzelf kunnen reguleren, zelfgenezing, zichzelf repliceren en migreren. Vrij gelijkaardig aan levende organismen, deze aggregaten kunnen ook heel veel verschillende patronen aannemen die strijden om beperkte middelen, die vaak eindigt met het overleven van de sterkste en de "dood" van minder succesvolle concurrenten.

Dr. Serim Ilday van de afdeling Natuurkunde, wie is de hoofdauteur van het artikel, legde de achtergrond van het onderzoek als volgt uit:"De natuur is de ultieme bron van complexiteit, en we weten dat de natuur complexiteit niet micromanagt. De natuur bepaalt de regels en laat de dynamiek van het systeem de rest van de details afhandelen. We wilden dit perspectief aannemen en twee algemene, eenvoudige regels voor het systeem om te gehoorzamen:convectieve krachten gecreëerd door de laser zullen de vorming en groei van de aggregaten bevorderen, en de inherente sterke Brownse beweging [willekeurige beweging van deeltjes in een vloeistof] van de deeltjes zal haar tegenwerken. De rest wordt georkestreerd door deze positieve en negatieve feedbackmechanismen te regelen met slechts twee parameters:laservermogen en straalpositie."

Eerdere pogingen om de fundamentele mechanismen van het ontstaan ​​van complexiteit te identificeren, waren niet volledig succesvol, omdat ze sterk afhankelijk waren van gecompliceerde mechanismen die bijna absolute controle over een complex systeem vereisten. "Dat is precies waarom we het gebruik van gefunctionaliseerde deeltjes of specifieke chemicaliën vermeden, magnetisch, optische of elektrische interacties, " zei prof. F. Ömer Ilday, co-auteur van de paper en lid van de afdelingen Electrical and Electronics Engineering and Physics.

Het systeem werkt ongeveer hetzelfde als een stoommachine. De laser creëert een hotspot, terwijl de rest van het systeem koud is. Een convectie van warme naar koude vormen, die de deeltjes ronddraagt. Als de laser is uitgeschakeld, de convectie stopt en de deeltjes verspreiden zich door thermische ruis of Brownse beweging. "Het gebruik van lawaai als hulpmiddel om complex gedrag te beheersen was een onconventionele benadering, " zei Prof. Ilday. "Randomness is de antithese van controle voor door de mens gemaakte systemen; ingenieurs werken er hard aan om het te onderdrukken. Het is het tegenovergestelde voor biologische systemen; het leven gedijt met en binnen fluctuaties. In ieder geval, het vermijden van fluctuaties is gewoon niet haalbaar op zeer kleine schaal."

Een andere co-auteur, afdelingshoofd natuurkunde prof.dr. Oguz Gulseren, toegevoegd, "Door sterke schommelingen we hebben recordsnelle kinetiek; alles gebeurt in seconden. Dit stelt ons in staat om een ​​groter deel van de faseruimte te verkennen, wat cruciaal is voor het demonstreren van een rijkere dynamiek."

In die zin is het eenvoudig en grotendeels onafhankelijk van het type, vorm of grootte van het gebruikte materiaal, het werk heeft een groot potentieel om een ​​grote verscheidenheid aan onderzoeksgebieden te beïnvloeden, variërend van actieve materie tot niet-evenwichtige statistische fysica, en verder tot supramoleculaire of systeemchemie.

Zoals prof. Ilday opmerkte, "Omdat het water niet kan schelen wat het draagt, de methodiek kan in principe op veel verschillende soorten materialen worden toegepast, niet-levend en levend gelijk. Eigenlijk, " hij ging verder, verwijzend naar een vervolgonderzoek waaraan het team werkt, "we zijn al begonnen met het laten zien van evolutie."