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(openPR) In der Natur sind geordnete Strukturen unerlässlich, um sowohl die Stabilität als auch die Funktionalität in lebenden Systemen aufrechtzuerhalten. Dies lässt sich gut an regelmäßigen Mustern oder der Bildung komplexer Moleküle beobachten. Die Entstehung dieser Ordnung basiert dabei auf universellen physikalischen Prinzipien, die letztendlich die Entstehung von lebender Materie und organischen Strukturen ermöglichen. Eines dieser Prinzipien sind nicht-reziproke Wechselwirkungen: Eine Art von Molekülen wird von einer anderen Art angezogen, welche die erste hingegen abstößt. Dieses Prinzip führt zu interessanten Phänomenen wie der Entstehung von Strukturen und Mustern.
Forschende der Abteilung Physik lebender Materie am MPI-DS haben nun entdeckt, dass nicht-reziproke Wechselwirkungen auch stabile kollektive Bewegungen in lebenden Systemen auslösen können. Giulia Pisegna, Erstautorin der Studie, beschreibt die Ergebnisse: „Die Dynamik von Partikeln mit nicht-reziproker Wechselwirkung untereinander führt zu einer spontanen gemeinsamen und gerichteten Bewegung der Partikelarten in größerem Maßstab. Während eine solche Aktivität auf den ersten Blick Chaos hervorrufen könnte, entstehen stattdessen bemerkenswert stabile und geordnete Strukturen.“
Um die Stabilität des Systems zu testen und die entstehende Ordnung und Bewegung zu stören, erzeugten die Wissenschaftler*innen Rauschen und Störungen. „Wir haben festgestellt, dass die Bewegungsmuster bemerkenswert robust und stabil sind“, berichtet Suropriya Saha, Gruppenleiterin am MPI-DS.
Zu diesem Ergebnis kamen die Wissenschaftler*innen, indem sie das Modell für nicht-reziproke Wechselwirkungen mit zwei scheinbar sehr weit voneinander entfernten Theorien verbanden: Der Theorie der Schwarmbildung und der Theorie der Oberflächenwachstumsdynamik.
Anschließend untersuchten sie, wie sich das entstandene Muster der Partikel in einer Flüssigkeit verhält, in der sie miteinander interagieren können. Typischerweise stört diese Interaktion die kollektive Bewegung. Das Team stellte jedoch fest, dass das Bewegungsmuster stabil bleibt, wenn es durch nicht-reziproke Wechselwirkungen erzeugt wird. Dies zeigt eine bemerkenswerte Widerstandsfähigkeit gegenüber komplexen Versuchsbedingungen.
„Diese Ergebnisse zeigen uns, dass nicht-reziproke Wechselwirkungen den Kern der primitiven Selbstorganisation in komplexen chemischen Umgebungen bilden. Sie können uns daher helfen, die Eigenschaften lebender Systeme vorherzusagen und zu beschreiben“, fasst Saha zusammen.
Originalpublikation:
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2407705121
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/gbg1-lwwt
