Op het eerste gezicht, een roedel wolven heeft weinig te maken met een vinaigrette. Echter, een team onder leiding van Ramin Golestanian, Directeur bij het Max Planck Instituut voor Dynamiek en Zelforganisatie, heeft een model ontwikkeld dat een verband legt tussen de beweging van roofdieren en prooien en de scheiding van azijn en olie. Ze breidden een theoretisch kader uit dat tot nu toe alleen geldig was voor levenloze materie. Naast roofdieren en prooien, andere levende systemen zoals enzymen of zelforganiserende cellen kunnen nu worden beschreven.

Orde is op het eerste gezicht niet altijd duidelijk. Als je met een roedel wolven op herten jaagt, de bewegingen zouden ongeordend lijken. Echter, als de jacht wordt waargenomen vanuit vogelperspectief en over een langere periode, patronen worden zichtbaar in de beweging van de dieren. in de natuurkunde, dergelijk gedrag wordt als ordelijk beschouwd. Maar hoe komt deze volgorde tot stand? Het Department of Living Matter Physics van Ramin Golestanian is gewijd aan deze vraag en onderzoekt de fysieke regels die beweging in levende of actieve systemen regelen. Het doel van Golestanian is om universele kenmerken van actieve, levende materie. Dit omvat niet alleen grotere organismen zoals roofdieren en prooien, maar ook bacteriën, enzymen en motoreiwitten, maar ook kunstmatige systemen zoals microrobots. "Als we een groep van dergelijke actieve systemen over grote afstanden en lange tijdsperioden beschrijven, de specifieke details van de systemen verliezen aan belang. Hun algehele verdeling in de ruimte wordt uiteindelijk het beslissende kenmerk, " legt Golestanian uit.

Van levenloos naar levend systeem

Zijn team in Göttingen heeft onlangs een doorbraak bereikt in het beschrijven van levende materie. Om dit te behalen, Suropriya Saha, Jaime Agudo-Canalejo, en Ramin Golestanian begon met de bekende beschrijving van het gedrag van levenloze materie en breidde deze uit. Het belangrijkste punt was om rekening te houden met het fundamentele verschil tussen levende en levenloze materie. In tegenstelling tot levenloos, passieve materie, leven, actieve materie kan vanzelf bewegen. Natuurkundigen gebruiken de Cahn-Hilliard-vergelijking om te beschrijven hoe levenloze mengsels zoals een emulsie van olie en water zich scheiden.

De karakterisering die in de jaren vijftig is ontwikkeld, wordt beschouwd als het standaardmodel voor fasescheiding. Het is gebaseerd op het principe van wederkerigheid:Tit for tat. Olie stoot dus water af op dezelfde manier als water olie afstoot. Echter, dit is niet altijd het geval voor levende materie of actieve systemen. Een roofdier jaagt op zijn prooi, terwijl de prooi probeert te ontsnappen aan het roofdier. Pas onlangs is aangetoond dat er niet-wederkerig (d.w.z. actief) gedrag is, zelfs in de beweging van de kleinste systemen zoals enzymen. Enzymen kunnen zich dus specifiek concentreren in individuele celgebieden, iets wat nodig is voor veel biologische processen. Naar aanleiding van deze ontdekking, de Göttingen-onderzoekers onderzochten hoe grote ophopingen van verschillende enzymen zich gedragen. Zouden ze zich vermengen of groepen vormen? Zouden er nieuwe en onvoorziene eigenschappen ontstaan? Met het doel deze vragen te beantwoorden, het onderzoeksteam aan de slag.

Plots verschijnen er golven

De eerste taak was om de Cahn-Hilliard-vergelijking aan te passen om niet-wederkerige interacties op te nemen. Omdat de vergelijking niet-levende systemen beschrijft, de wederkerigheid van passieve interacties is diep verankerd in de structuur ervan. Dus, elk proces dat het beschrijft, eindigt in thermodynamisch evenwicht. Met andere woorden, alle deelnemers komen uiteindelijk in een rusttoestand. Leven, echter, vindt plaats buiten het thermodynamisch evenwicht. Dit komt omdat levende systemen niet in rust blijven, maar energie gebruiken om iets te bereiken (bijvoorbeeld hun eigen reproductie). Suropriya Saha en haar collega's houden rekening met dit gedrag door de Cahn-Hilliard-vergelijking uit te breiden met een parameter die niet-wederkerige activiteiten kenmerkt. Op deze manier, ze kunnen nu ook processen beschrijven die in enige mate verschillen van passieve processen.

Saha en haar collega's gebruikten computersimulaties om de effecten van de geïntroduceerde aanpassingen te bestuderen. "Verrassend genoeg, zelfs minimale niet-wederkerigheid leidt tot radicale afwijkingen van het gedrag van passieve systemen, " zegt Saha. Bijvoorbeeld, de onderzoeker observeerde de vorming van lopende golven in een mengsel van twee verschillende soorten deeltjes. Bij dit fenomeen banden van de ene component achtervolgen de banden van de andere component, waardoor een patroon van bewegende strepen ontstaat. In aanvulling, complexe roosters kunnen zich vormen in deeltjesmengsels waarin kleine clusters van de ene component groepen van de andere component achtervolgen. Met hun werk, de onderzoekers hopen bij te dragen aan wetenschappelijke vooruitgang, zowel in de natuurkunde als in de biologie. Bijvoorbeeld, het nieuwe model kan het gedrag van verschillende cellen beschrijven en voorspellen, bacteriën, of enzymen. "We hebben een oude hond nieuwe trucjes geleerd met dit model, ", zegt Golestanian. "Ons onderzoek toont aan dat natuurkunde bijdraagt ​​aan ons begrip van de biologie en dat de uitdagingen die het bestuderen van levende materie met zich meebrengt, nieuwe wegen openen voor fundamenteel onderzoek in de natuurkunde.".