Os físicos da LMU mostraram que as fases topológicas podem existir na biologia, e, ao fazê-lo, identificaram uma ligação entre a física do estado sólido e a biofísica.

O conceito de transições de fase topológicas tornou-se um tópico importante na física teórica, e foi aplicado pela primeira vez à caracterização de estados incomuns da matéria na década de 1980. O efeito Hall quântico (QHE) é um exemplo de onde as idéias tiradas da topologia geraram novos insights sobre fenômenos inicialmente intrigantes. O QHE é observado em filmes atomicamente finos. Quando estes, efetivamente bidimensional, materiais são submetidos a um campo magnético que varia suavemente, sua resistência elétrica muda em etapas discretas. A importância de tais estados topológicos na física da matéria condensada foi reconhecida pela atribuição do Prêmio Nobel de Física de 2016 aos seus descobridores.

Agora, os físicos da LMU liderados pelo Professor Erwin Frey usaram esse mesmo conceito topológico para elucidar a dinâmica de um sistema de modelo biológico. "Perguntamos se os tipos de transições de fase topológica graduais descobertas na física do estado sólido poderiam ser encontrados em sistemas biológicos, "diz Philipp Geiger, estudante de doutorado na equipe de Frey e co-autor do novo estudo junto com Johannes Knebel. O sistema de modelo escolhido para investigação foi aquele que o grupo de Frey havia empregado anteriormente para investigar a dinâmica populacional de ecossistemas nos quais diversas espécies móveis competem entre si.

Os elementos básicos usados ​​para modelar este sistema são os ciclos de pedra-papel-tesoura (RPS), que são um elemento clássico da teoria dos jogos. Cada um desses elementos (ou estratégias) derrota um dos outros, mas sucumbe ao terceiro. "A partir deste modelo básico, construímos uma cadeia de interação conectando muitos desses ciclos RPS uns aos outros, "Geiger explica." Além disso, tornamos o modelo original muito mais abstrato em caráter. "

Em sua versão abstrata do modelo, em que as espécies competem com seus vizinhos mais próximos em relações de dominância que são governadas pelas regras RPS, os autores observaram o surgimento de um forte grau de polarização em um ou outro lado da rede de interação. Em outras palavras, espécies nessas posições passaram a dominar todo o sistema. Se a dinâmica evolutiva do modelo levou ao pico de polarização no lado esquerdo ou direito da cadeia de interação, foi demonstrado que depende exclusivamente da relação quantitativa entre apenas duas taxas de interação, e a dinâmica era de outra forma robusta contra pequenas perturbações nas intensidades das interações.

Com a ajuda de métodos extraídos da física do estado sólido, Frey e seus colegas foram capazes de explicar a polarização da dinâmica evolutiva em termos de fases topológicas, de modo que as mudanças na polarização podem ser tratadas da mesma maneira que as transições de fase. “O modelo mostra pela primeira vez que tais efeitos podem ocorrer na biologia, "diz Frey." Este estudo pode ser visto como o primeiro passo para a aplicação do conceito de fases topológicas em sistemas biológicos. É até concebível que se possa fazer uso de fases topológicas no contexto da análise de redes regulatórias genéticas. Como essas fases podem ser realizadas experimentalmente é uma questão interessante e uma tarefa desafiadora para pesquisas futuras. "