I fisici LMU hanno dimostrato che le fasi topologiche potrebbero esistere in biologia, e così facendo hanno individuato un legame tra la fisica dello stato solido e la biofisica.

Il concetto di transizioni di fase topologiche è diventato un argomento importante nella fisica teorica, ed è stato applicato per la prima volta alla caratterizzazione di stati insoliti della materia negli anni '80. L'effetto Hall quantistico (QHE) è un esempio in cui le idee tratte dalla topologia hanno prodotto nuove intuizioni su fenomeni inizialmente sconcertanti. Il QHE è osservato in film atomicamente sottili. Quando questi, effettivamente bidimensionale, i materiali sono soggetti a un campo magnetico che varia uniformemente, la loro resistenza elettrica cambia in passi discreti. Il significato di tali stati topologici nella fisica della materia condensata è stato riconosciuto dall'assegnazione del Premio Nobel per la Fisica 2016 ai suoi scopritori.

Ora i fisici LMU guidati dal professor Erwin Frey hanno usato questo stesso concetto topologico per chiarire le dinamiche di un sistema modello biologico. "Ci siamo chiesti se i tipi di transizioni di fase topologiche graduali scoperte nella fisica dello stato solido potessero essere trovate nei sistemi biologici, "dice Philipp Geiger, uno studente di dottorato nel team di Frey e primo autore congiunto del nuovo studio insieme a Johannes Knebel. Il sistema modello scelto per l'indagine era quello che il gruppo di Frey aveva precedentemente impiegato per studiare le dinamiche di popolazione degli ecosistemi in cui diverse specie mobili competono tra loro.

Gli elementi di base utilizzati per modellare questo sistema sono i cicli sasso-carta-forbici (RPS), che sono un elemento classico della teoria dei giochi. Ciascuno di questi elementi (o strategie) sconfigge uno degli altri, ma soccombe al terzo. "Da questo modello base, abbiamo costruito una catena di interazione collegando tra loro molti di questi cicli RPS, " spiega Geiger. "Inoltre, abbiamo reso il modello originale molto più astratto nel carattere."

Nella loro versione astratta del modello, in cui le specie competono con i loro vicini più prossimi in relazioni di dominanza che sono disciplinate da regole RPS, gli autori hanno osservato l'emergere di un forte grado di polarizzazione da un lato o dall'altro del reticolo di interazione. In altre parole, specie in queste posizioni arrivarono a dominare l'intero sistema. È stato dimostrato che la dinamica evolutiva del modello ha portato alla polarizzazione del picco sul lato sinistro o destro della catena di interazione dipende esclusivamente dalla relazione quantitativa tra solo due tassi di interazione, e la dinamica era altrimenti robusta contro piccole perturbazioni nei punti di forza delle interazioni.

Con l'aiuto di metodi tratti dalla fisica dello stato solido, Frey e i suoi colleghi sono stati in grado di spiegare la polarizzazione della dinamica evolutiva in termini di fasi topologiche, tale che i cambiamenti nella polarizzazione potrebbero essere trattati allo stesso modo delle transizioni di fase. "Il modello mostra per la prima volta che tali effetti possono verificarsi in biologia, " dice Frey. "Questo studio può essere visto come il primo passo verso l'applicazione del concetto di fasi topologiche nei sistemi biologici. È addirittura ipotizzabile l'utilizzo di fasi topologiche nell'ambito dell'analisi delle reti regolatorie genetiche. Il modo in cui tali fasi possono essere realizzate sperimentalmente è una domanda interessante e un compito impegnativo per la ricerca futura".