Lebende Materie weist häufig Eigenschaften auf, die in einfacheren physikalischen Systemen nicht vorhanden sind. Ein typisches Beispiel ist die asymmetrische Wechselwirkung zwischen verschiedenen Teilchen: Eine Molekülart kann von der anderen angezogen werden, die wiederum abgestoßen wird – genau wie ein Raubtier seine Beute jagt, die wiederum versucht zu entkommen. Dieses Phänomen wird als nicht-reziproke Wechselwirkung bezeichnet und kann in größerem Maßstab faszinierende Muster bilden. Diese ähneln oft Strukturen, die für die Funktionalität des Systems, wie beispielsweise einer lebenden Zelle, wesentlich sind.
In einer neuen Studie untersuchten Navdeep Rana und Ramin Golestanian das Zusammenspiel zwischen Nicht-Reziprozität und der Bildung von Defekten, das die entstehenden Muster beeinflusst. „Normalerweise führt eine stärkere Nicht-Reziprozität zu einer höheren Aktivität und ist daher erwartungsgemäß mit einer geringeren Ordnung im System verbunden“, erklärt Rana. „Wir haben jedoch das Gegenteil beobachtet und festgestellt, dass sich geordnete Wellenmuster bilden, wenn die Nicht-Reziprozität ein bestimmtes Niveau überschreitet.“ Die neue Studie unterstreicht somit die Bedeutung der Nicht-Reziprozität in aktiven Systemen, um durch Beseitigung von Defekten geordnete Strukturen zu schaffen.
Die Wissenschaftler untersuchten mithilfe von Simulationen die physikalischen Eigenschaften der natürlich vorkommenden Defekte, welche die Ordnung stören – ähnlich zu Versetzungen im Metall, die genutzt werden, um beispielsweise Löffel herzustellen. „Während ein wiederholtes Biegen eines Löffels mehr verschränkte Defekte erzeugt und die Festigkeit schwächt bis er bricht, beseitigen nicht-reziproke Wechselwirkungen im System solche Defekte und schaffen Ordnung“, fügt Golestanian hinzu. „Diese bemerkenswerte Eigenschaft eröffnet viele Möglichkeiten für die Anwendung nicht-reziproker Systeme basierend auf aktiver Materie“, fasst er zusammen.
Insgesamt zeigt die Studie grundlegende physikalische Prinzipien auf, die der Organisation aktiver Materie zugrunde liegen – und die für die Entstehung von Leben wichtig sind.
Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation
Originalpublikationen:
Navdeep Rana and Ramin Golestanian: Defect interactions in the non-reciprocal Cahn–Hilliard model, New J. Phys.26 123008, 2024, https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1367-2630/ad9859
Navdeep Rana and Ramin Golestanian: Defect Solutions of the Nonreciprocal Cahn-Hilliard Model: Spirals and Targets, Phys. Rev. Lett. 133, 078301, 2024, https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.078301
