À primeira vista, uma matilha de lobos tem pouco a ver com vinagrete. Contudo, uma equipe liderada por Ramin Golestanian, Diretor do Instituto Max Planck de Dinâmica e Auto-organização, desenvolveu um modelo que estabelece uma ligação entre o movimento de predadores e presas e a segregação de vinagre e óleo. Eles expandiram uma estrutura teórica que até agora era válida apenas para matéria inanimada. Além de predadores e presas, outros sistemas vivos, como enzimas ou células auto-organizadas, podem agora ser descritos.

A ordem nem sempre é aparente à primeira vista. Se você correr com uma matilha de lobos caçando veados, os movimentos pareceriam desordenados. Contudo, se a caça for observada a partir de uma visão aérea e por um longo período de tempo, padrões tornam-se aparentes no movimento dos animais. Na física, tal comportamento é considerado ordenado. Mas como surge essa ordem? O Departamento de Física da Matéria Viva de Ramin Golestanian se dedica a essa questão e investiga as regras físicas que governam o movimento em sistemas vivos ou ativos. O objetivo de Golestanian é revelar características universais de ativos, viver importa. Isso inclui não apenas organismos maiores, como predadores e presas, mas também bactérias, enzimas e proteínas motoras, bem como sistemas artificiais, como micro-robôs. "Quando descrevemos um grupo de tais sistemas ativos em grandes distâncias e longos períodos de tempo, os detalhes específicos dos sistemas perdem importância. Sua distribuição geral no espaço acaba se tornando a característica decisiva, "explica Golestanian.

De inanimado a sistema vivo

Sua equipe em Göttingen fez recentemente uma descoberta ao descrever a matéria viva. Para alcançar isto, Suropriya Saha, Jaime Agudo-Canalejo, e Ramin Golestanian começou com a conhecida descrição do comportamento da matéria inanimada e a expandiu. O ponto principal era levar em consideração a diferença fundamental entre matéria viva e matéria inanimada. Em contraste com o inanimado, matéria passiva, vivo, a matéria ativa pode se mover por conta própria. Os físicos usam a equação de Cahn-Hilliard para descrever como as misturas inanimadas, como uma emulsão de óleo e água, se separam.

A caracterização desenvolvida na década de 1950 é considerada o modelo padrão de separação de fases. Baseia-se no princípio da reciprocidade:olho por olho. Portanto, o óleo repele a água da mesma forma que a água repele o óleo. Contudo, nem sempre é o caso para matéria viva ou sistemas ativos. Um predador persegue sua presa, enquanto a presa tenta escapar do predador. Apenas recentemente foi demonstrado que existe um comportamento não recíproco (isto é, ativo), mesmo no movimento dos sistemas mais pequenos, como as enzimas. Assim, as enzimas podem se concentrar especificamente em áreas celulares individuais - algo que é necessário para muitos processos biológicos. Após esta descoberta, os pesquisadores de Göttingen investigaram como grandes acúmulos de diferentes enzimas se comportam. Eles se misturariam ou formariam grupos? Iriam surgir características novas e imprevistas? Com o objetivo de responder a essas perguntas, a equipe de pesquisa começou a trabalhar.

De repente, ondas aparecem

A primeira tarefa foi modificar a equação de Cahn-Hilliard para incluir interações não recíprocas. Porque a equação descreve sistemas não vivos, a reciprocidade das interações passivas está profundamente enraizada em sua estrutura. Assim, todo processo descrito por ele termina em equilíbrio termodinâmico. Em outras palavras, todos os participantes finalmente entram em um estado de repouso. Vida, Contudo, ocorre fora do equilíbrio termodinâmico. Isso ocorre porque os sistemas vivos não permanecem em repouso, mas usam energia para alcançar algo (por exemplo, sua própria reprodução). Suropriya Saha e seus colegas levam esse comportamento em consideração ao expandir a equação de Cahn-Hilliard por um parâmetro que caracteriza atividades não recíprocas. Desta maneira, eles agora também podem descrever processos que diferem de processos passivos em qualquer extensão.

Saha e seus colegas usaram simulações de computador para estudar os efeitos das modificações introduzidas. "Surpreendentemente, mesmo a não reciprocidade mínima leva a desvios radicais do comportamento dos sistemas passivos, "diz Saha. Por exemplo, o pesquisador observou a formação de ondas viajantes em uma mistura de dois tipos diferentes de partículas. Neste fenômeno, bandas de um componente perseguem as bandas do outro componente, resultando assim em um padrão de listras em movimento. Além disso, redes complexas podem se formar em misturas de partículas nas quais pequenos aglomerados de um componente perseguem grupos do outro componente. Com o trabalho deles, os pesquisadores esperam contribuir para o progresso científico tanto na física quanto na biologia. Por exemplo, o novo modelo pode descrever e prever o comportamento de diferentes células, bactérias, ou enzimas. "Ensinamos novos truques a um cachorro velho com este modelo, "diz Golestanian." Nossa pesquisa mostra que a física contribui para a nossa compreensão da biologia e que os desafios colocados pelo estudo da matéria viva abrem novos caminhos para a pesquisa fundamental em física. "