A prima vista, un branco di lupi ha poco a che fare con una vinaigrette. Però, una squadra guidata da Ramin Golestanian, Direttore del Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization, ha sviluppato un modello che stabilisce un legame tra il movimento di predatori e prede e la segregazione di aceto e olio. Hanno ampliato un quadro teorico che fino ad ora era valido solo per la materia inanimata. Oltre a predatori e prede, altri sistemi viventi come enzimi o cellule auto-organizzanti possono ora essere descritti.

L'ordine non è sempre evidente a prima vista. Se correvi con un branco di lupi a caccia di cervi, i movimenti apparirebbero disordinati. Però, se la caccia viene osservata a volo d'uccello e per un periodo di tempo più lungo, modelli diventano evidenti nel movimento degli animali. In fisica, tale comportamento è considerato ordinato. Ma come nasce questo ordine? Il Dipartimento di Fisica della Materia Vivente di Ramin Golestanian è dedicato a questa domanda e indaga le regole fisiche che governano il movimento nei sistemi viventi o attivi. Lo scopo di Golestanian è quello di rivelare le caratteristiche universali di attivi, materia vivente. Ciò include non solo organismi più grandi come predatori e prede, ma anche batteri, enzimi e proteine ​​motorie, nonché sistemi artificiali come i micro-robot. "Quando descriviamo un gruppo di tali sistemi attivi su grandi distanze e lunghi periodi di tempo, i dettagli specifici dei sistemi perdono importanza. La loro distribuzione complessiva nello spazio diventa infine la caratteristica decisiva, " spiega Golestanian.

Da sistema inanimato a sistema vivente

La sua squadra a Göttingen ha recentemente fatto un passo avanti nella descrizione della materia vivente. Per realizzare questo, Suropriya Saha, Jaime Agudo-Canalejo, e Ramin Golestanian ha iniziato con la nota descrizione del comportamento della materia inanimata e l'ha ampliata. Il punto principale era prendere in considerazione la differenza fondamentale tra materia vivente e inanimata. Contrariamente a inanimato, materia passiva, vita, la materia attiva può muoversi da sola. I fisici usano l'equazione di Cahn-Hilliard per descrivere come si separano miscele inanimate come un'emulsione di olio e acqua.

La caratterizzazione sviluppata negli anni '50 è considerata il modello standard della separazione di fase. Si basa sul principio di reciprocità:Tit for tat. L'olio respinge quindi l'acqua allo stesso modo in cui l'acqua respinge l'olio. Però, questo non è sempre il caso della materia vivente o dei sistemi attivi. Un predatore insegue la sua preda, mentre la preda cerca di sfuggire al predatore. Solo di recente è stato dimostrato che esiste un comportamento non reciproco (cioè attivo) anche nel movimento dei più piccoli sistemi come gli enzimi. Gli enzimi possono quindi concentrarsi specificamente nelle singole aree cellulari, cosa necessaria per molti processi biologici. A seguito di questa scoperta, i ricercatori di Göttingen hanno studiato come si comportano i grandi accumuli di diversi enzimi. Si mescolerebbero insieme o formerebbero gruppi? Potrebbero sorgere caratteristiche nuove e impreviste? Con lo scopo di rispondere a queste domande, il gruppo di ricerca si mise al lavoro.

All'improvviso appaiono delle onde

Il primo compito era modificare l'equazione di Cahn-Hilliard per includere interazioni non reciproche. Poiché l'equazione descrive i sistemi non viventi, la reciprocità delle interazioni passive è profondamente radicata nella sua struttura. Così, ogni processo da essa descritto termina in equilibrio termodinamico. In altre parole, tutti i partecipanti alla fine entrano in uno stato di riposo. Vita, però, avviene al di fuori dell'equilibrio termodinamico. Questo perché i sistemi viventi non rimangono a riposo, ma utilizzano l'energia per ottenere qualcosa (ad esempio la propria riproduzione). Suropriya Saha e i suoi colleghi tengono conto di questo comportamento espandendo l'equazione di Cahn-Hilliard di un parametro che caratterizza le attività non reciproche. In questo modo, ora possono anche descrivere processi che differiscono in qualche misura dai processi passivi.

Saha e i suoi colleghi hanno utilizzato simulazioni al computer per studiare gli effetti delle modifiche introdotte. "Sorprendentemente, anche la minima non reciprocità porta a deviazioni radicali dal comportamento dei sistemi passivi, " dice Saha. Ad esempio, il ricercatore ha osservato la formazione di onde in movimento in una miscela di due diversi tipi di particelle. In questo fenomeno, le bande di un componente inseguono le bande dell'altro componente, determinando così un motivo di strisce in movimento. Inoltre, reticoli complessi possono formarsi in miscele di particelle in cui piccoli ammassi di un componente inseguono gruppi dell'altro componente. Con il loro lavoro, i ricercatori sperano di contribuire al progresso scientifico sia in fisica che in biologia. Per esempio, il nuovo modello può descrivere e prevedere il comportamento di diverse cellule, batteri, o enzimi. "Abbiamo insegnato a un vecchio cane nuovi trucchi con questo modello, " dice Golestanian. "La nostra ricerca mostra che la fisica contribuisce alla nostra comprensione della biologia e che le sfide poste dallo studio della materia vivente aprono nuove strade per la ricerca fondamentale in fisica.".