LMU-fysici hebben aangetoond dat er topologische fasen kunnen bestaan ​​in de biologie, en daarmee hebben ze een verband gevonden tussen vastestoffysica en biofysica.

Het concept van topologische faseovergangen is een belangrijk onderwerp geworden in de theoretische natuurkunde, en werd voor het eerst toegepast op de karakterisering van ongebruikelijke toestanden van materie in de jaren tachtig. Het kwantum Hall-effect (QHE) is een voorbeeld waarbij ideeën uit de topologie nieuwe inzichten hebben opgeleverd in aanvankelijk raadselachtige verschijnselen. De QHE wordt waargenomen in atomair dunne films. Wanneer deze, effectief tweedimensionaal, materialen worden onderworpen aan een geleidelijk variërend magnetisch veld, hun elektrische weerstand verandert in discrete stappen. Het belang van dergelijke topologische toestanden in de fysica van de gecondenseerde materie werd erkend door de toekenning van de Nobelprijs voor de natuurkunde 2016 aan de ontdekkers ervan.

Nu hebben LMU-fysici onder leiding van professor Erwin Frey hetzelfde topologische concept gebruikt om de dynamiek van een biologisch modelsysteem op te helderen. "We vroegen of de soorten stapsgewijze topologische faseovergangen die in de vastestoffysica zijn ontdekt, ook in biologische systemen kunnen worden gevonden, " zegt Philipp Geiger, een promovendus in Frey's team en gezamenlijke eerste auteur van de nieuwe studie samen met Johannes Knebel. Het voor onderzoek gekozen modelsysteem was er een dat Frey's groep eerder had gebruikt om de populatiedynamiek te onderzoeken van ecosystemen waarin verschillende mobiele soorten met elkaar concurreren.

De basiselementen die worden gebruikt om dit systeem te modelleren zijn steen-papier-schaar (RPS) cycli, die een klassiek element van de speltheorie zijn. Elk van deze elementen (of strategieën) verslaat een van de andere, maar bezwijkt voor de derde. "Vanuit dit basismodel we hebben een interactieketen gebouwd door veel van dergelijke RPS-cycli met elkaar te verbinden, " legt Geiger uit. "Bovendien, we hebben het oorspronkelijke model veel abstracter van karakter gemaakt."

In hun abstracte versie van het model, waarin soorten strijden om met hun naaste buren in dominantierelaties die worden beheerst door RPS-regels, de auteurs zagen het ontstaan ​​van een sterke mate van polarisatie aan de ene of andere kant van het interactierooster. Met andere woorden, soorten in deze posities gingen het hele systeem domineren. Of de evolutionaire dynamiek van het model leidde tot piekpolarisatie aan de linker- of rechterkant van de interactieketen bleek uitsluitend af te hangen van de kwantitatieve relatie tussen slechts twee interactiesnelheden, en de dynamiek was verder robuust tegen kleine verstoringen in de sterke punten van interacties.

Met behulp van methoden uit de vastestoffysica, Frey en zijn collega's waren in staat om de polarisatie van de evolutionaire dynamiek in termen van topologische fasen te verklaren, zodanig dat veranderingen in polarisatie op dezelfde manier kunnen worden behandeld als faseovergangen. "Het model laat voor het eerst zien dat dergelijke effecten kunnen optreden in de biologie, " zegt Frey. "Deze studie kan worden gezien als de eerste stap in de richting van de toepassing van het concept van topologische fasen in biologische systemen. Het is zelfs denkbaar dat men in het kader van de analyse van genetische reguleringsnetwerken gebruik zou kunnen maken van topologische fasen. Hoe dergelijke fasen experimenteel kunnen worden gerealiseerd, is een interessante vraag en een uitdagende taak voor toekomstig onderzoek."