A première vue, une meute de loups a peu à voir avec une vinaigrette. Cependant, une équipe dirigée par Ramin Golestanian, Directeur au Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization, a développé un modèle qui établit un lien entre le mouvement des prédateurs et des proies et la ségrégation du vinaigre et de l'huile. Ils ont élargi un cadre théorique qui jusqu'à présent n'était valable que pour la matière inanimée. En plus des prédateurs et des proies, d'autres systèmes vivants tels que des enzymes ou des cellules auto-organisées peuvent maintenant être décrits.

L'ordre n'est pas toujours apparent au premier coup d'œil. Si vous couriez avec une meute de loups chassant le cerf, les mouvements paraîtraient désordonnés. Cependant, si la chasse est observée à vol d'oiseau et sur une plus longue durée, des motifs apparaissent dans le mouvement des animaux. En physique, un tel comportement est considéré comme ordonné. Mais comment cet ordre émerge-t-il ? Le département de physique de la matière vivante de Ramin Golestanian se consacre à cette question et étudie les règles physiques qui régissent le mouvement dans les systèmes vivants ou actifs. L'objectif de Golestanian est de révéler les caractéristiques universelles de l'activité, matière vivante. Cela inclut non seulement les organismes plus gros tels que les prédateurs et les proies, mais aussi les bactéries, les enzymes et les protéines motrices ainsi que les systèmes artificiels tels que les micro-robots. "Lorsque nous décrivons un groupe de tels systèmes actifs sur de grandes distances et de longues périodes de temps, les détails spécifiques des systèmes perdent de leur importance. Leur répartition globale dans l'espace devient finalement la caractéristique décisive, " explique Golestanian.

Du système inanimé au système vivant

Son équipe de Göttingen a récemment fait une percée dans la description de la matière vivante. Pour y parvenir, Suropriya Saha, Jaime Agudo-Canalejo, et Ramin Golestanian a commencé par la description bien connue du comportement de la matière inanimée et l'a développée. L'essentiel était de prendre en compte la différence fondamentale entre matière vivante et matière inanimée. Contrairement à inanimé, matière passive, vie, la matière active peut se déplacer d'elle-même. Les physiciens utilisent l'équation de Cahn-Hilliard pour décrire comment des mélanges inanimés tels qu'une émulsion d'huile et d'eau se séparent.

La caractérisation développée dans les années 1950 est considérée comme le modèle standard de séparation de phases. Il est basé sur le principe de réciprocité :du tac au tac. L'huile repousse donc l'eau de la même manière que l'eau repousse l'huile. Cependant, ce n'est pas toujours le cas pour la matière vivante ou les systèmes actifs. Un prédateur poursuit sa proie, tandis que la proie essaie d'échapper au prédateur. Ce n'est que récemment qu'il a été démontré qu'il existe un comportement non réciproque (c'est-à-dire actif) même dans le mouvement des plus petits systèmes tels que les enzymes. Les enzymes peuvent ainsi se concentrer spécifiquement dans des zones cellulaires individuelles, ce qui est nécessaire pour de nombreux processus biologiques. Suite à cette découverte, les chercheurs de Göttingen ont étudié le comportement de grandes accumulations de différentes enzymes. Se mélangeraient-ils ou formeraient-ils des groupes ? Des caractéristiques nouvelles et imprévues apparaîtraient-elles ? Dans le but de répondre à ces questions, l'équipe de recherche se mit au travail.

Soudain des vagues apparaissent

La première tâche consistait à modifier l'équation de Cahn-Hilliard pour inclure les interactions non réciproques. Parce que l'équation décrit des systèmes non vivants, la réciprocité des interactions passives est profondément ancrée dans sa structure. Ainsi, tout processus qu'il décrit aboutit à un équilibre thermodynamique. En d'autres termes, tous les participants entrent finalement dans un état de repos. La vie, cependant, se déroule en dehors de l'équilibre thermodynamique. En effet, les systèmes vivants ne restent pas au repos mais utilisent plutôt de l'énergie pour réaliser quelque chose (par exemple leur propre reproduction). Suropriya Saha et ses collègues prennent en compte ce comportement en développant l'équation de Cahn-Hilliard par un paramètre qui caractérise les activités non réciproques. De cette façon, ils peuvent désormais également décrire des processus qui diffèrent dans une certaine mesure des processus passifs.

Saha et ses collègues ont utilisé des simulations informatiques pour étudier les effets des modifications introduites. "Étonnamment, même une non-réciprocité minime conduit à des écarts radicaux par rapport au comportement des systèmes passifs, " dit Saha. Par exemple, le chercheur a observé la formation d'ondes progressives dans un mélange de deux types de particules différents. Dans ce phénomène, les bandes d'un composant chassent les bandes de l'autre composant, résultant ainsi en un motif de rayures mobiles. En outre, des réseaux complexes peuvent se former dans des mélanges de particules dans lesquels de petits amas d'un composant chassent les groupes de l'autre composant. Avec leur travail, les chercheurs espèrent contribuer au progrès scientifique tant en physique qu'en biologie. Par exemple, le nouveau modèle peut décrire et prédire le comportement de différentes cellules, bactéries, ou enzymatiques. "Nous avons appris de nouveaux tours à un vieux chien avec ce modèle, " dit Golestanian. "Nos recherches montrent que la physique contribue à notre compréhension de la biologie et que les défis posés par l'étude de la matière vivante ouvrent de nouvelles voies pour la recherche fondamentale en physique.".