Les physiciens du LMU ont montré que des phases topologiques pouvaient exister en biologie, et ce faisant, ils ont identifié un lien entre la physique du solide et la biophysique.

Le concept de transitions de phase topologiques est devenu un sujet important en physique théorique, et a été appliqué pour la première fois à la caractérisation d'états inhabituels de la matière dans les années 1980. L'effet Hall quantique (QHE) est un exemple où des idées tirées de la topologie ont permis de mieux comprendre des phénomènes initialement déroutants. Le QHE est observé dans des films atomiquement minces. Lorsque ceux-ci, effectivement bidimensionnel, les matériaux sont soumis à un champ magnétique variant progressivement, leur résistance électrique change par étapes discrètes. L'importance de tels états topologiques en physique de la matière condensée a été reconnue par l'attribution du prix Nobel de physique 2016 à ses découvreurs.

Aujourd'hui, les physiciens du LMU dirigés par le professeur Erwin Frey ont utilisé ce même concept topologique pour élucider la dynamique d'un système modèle biologique. « Nous avons demandé si les types de transitions de phase topologiques par étapes découvertes en physique du solide pouvaient être trouvées dans les systèmes biologiques, " dit Philipp Geiger, doctorant dans l'équipe de Frey et co-auteur de la nouvelle étude avec Johannes Knebel. Le système modèle choisi pour l'enquête était celui que le groupe de Frey avait déjà utilisé pour étudier la dynamique des populations d'écosystèmes dans lesquels diverses espèces mobiles se font concurrence.

Les éléments de base utilisés pour modéliser ce système sont les cycles pierre-papier-ciseaux (RPS), qui sont un élément classique de la théorie des jeux. Chacun de ces éléments (ou stratégies) bat l'un des autres, mais succombe au troisième. « À partir de ce modèle de base, nous avons construit une chaîne d'interaction en connectant plusieurs de ces cycles RPS les uns aux autres, " explique Geiger. " De plus, nous avons rendu le modèle original beaucoup plus abstrait dans son caractère."

Dans leur version abstraite du modèle, dans lesquelles les espèces rivalisent avec leurs plus proches voisins dans des relations de dominance régies par les règles RPS, les auteurs ont observé l'émergence d'un fort degré de polarisation d'un côté ou de l'autre du réseau d'interaction. En d'autres termes, les espèces dans ces positions ont fini par dominer l'ensemble du système. Il a été démontré que la dynamique évolutive du modèle a conduit à une polarisation maximale du côté gauche ou du côté droit de la chaîne d'interaction dépend uniquement de la relation quantitative entre seulement deux taux d'interaction, et la dynamique était par ailleurs robuste contre de petites perturbations dans les forces des interactions.

A l'aide de méthodes tirées de la physique du solide, Frey et ses collègues ont pu rendre compte de la polarisation de la dynamique évolutive en termes de phases topologiques, de telle sorte que les changements de polarisation puissent être traités de la même manière que les transitions de phase. "Le modèle montre pour la première fois que de tels effets peuvent se produire en biologie, " dit Frey. " Cette étude peut être considérée comme la première étape vers l'application du concept de phases topologiques dans les systèmes biologiques. Il est même envisageable que l'on puisse utiliser des phases topologiques dans le cadre de l'analyse de réseaux de régulation génétique. Comment de telles phases peuvent être réalisées expérimentalement est une question intéressante et une tâche difficile pour les recherches futures. »