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Comme indiqué dans la revue Nature, une équipe de physiciens du Technische Universitaet Muenchen et LMU Muenchen a développé un système modèle polyvalent biophysiques qui ouvre la porte à l'étude des phénomènes tels que les mouvements apparemment chorégraphié des centaines ou des milliers de poissons, les oiseaux ou les insectes, et à sonder leurs principes sous-jacents. En utilisant une combinaison d'une plate-forme expérimentale et des modèles théoriques, des systèmes plus complexes peuvent maintenant être décrites et leurs propriétés étudiées.
Fondation allemande pour la recherche, Institut de Munich Initiative Nanosystèmes TUM, for Advanced Study, réseau d'élite de la Bavière

Pour l'observateur occasionnel, il est fascinant d'observer l'ordre et apparemment chorégraphié motion de centaines voire de milliers de poissons, les oiseaux ou les insectes. Toutefois, la formation et les schémas de mouvement des troupeaux de ces multiples posent de nombreuses questions fondamentales à la compréhension des systèmes complexes. Une équipe de physiciens du Technische Universitaet Muenchen (TUM) et LMU Muenchen a développé un système modèle polyvalent biophysiques qui ouvre la porte à l'étude de ces phénomènes et leurs principes sous-jacents. En utilisant une combinaison d'une plate-forme expérimentale et des modèles théoriques, des systèmes plus complexes peuvent maintenant être décrites et leurs propriétés étudiées. Les chercheurs de Munich rapport sur leurs conclusions dans le numéro actuel de la prestigieuse revue Nature.

Tout s'écoule »et rien ne demeure," est un dicton attribué à la philosophe grec Héraclite. Les grands groupes d'individus peuvent montrer un comportement collectif où les actions des individus semblent être coordonnées, voire subordonnés au bien commun: Des nuées d'oiseaux se déplacer dans l'air sans conducteur, comme si elles étaient chorégraphiés, et des bancs de poissons changent de direction instantanément quand un requin apparaît. Pourtant, la science demeure perplexe: ce que tous ces systèmes obéissent aux mêmes lois universelles? Est-ce un comportement de groupe complexes émergent à partir des interactions simples entre les individus intrinsèquement et inévitablement? Une équipe de chercheurs dirigée par le professeur Andreas Bausch, président de la biophysique à TUM et le professeur Erwin Frey, président de la statistique et de Biophysique à LMU, sont percer le mystère.

Les chercheurs de Munich ont développé un système modèle biophysique qui permet de réaliser des expériences ciblées de haute précision dans des conditions contrôlées. À cette fin, Volker Schaller du président TUM de biophysique, premier auteur de l'étude, fixe des protéines motrices biologique à une lamelle de microscope, de telle façon qu'ils puissent conduire des filaments de protéine, l'actine musculaire, suspendu librement sur eux, dans n'importe quelle direction . Les filaments mesurent environ sept nanomètres de diamètre, soit sept millionièmes de mètre, et une dizaine de micromètres de long, soit un dix-millième de millimètre. Le mouvement des filaments est visualisé par microscopie à haute résolution.

Dans les expériences décrites dans la revue Nature, les filaments d'actine commencé à se déplacer dès que l'ATP? le carburant pour les protéines motrices? a été ajouté. Avec de faibles concentrations de filaments d'actine, le mouvement est resté complètement chaotique. Une fois la densité franchi un seuil de cinq filaments d'actine par micromètre carré, les filaments ont commencé à agir collectivement dans les grands groupes? avec une étonnante ressemblance dans les élevages d'oiseaux ou de bancs de poissons. «Nous pouvons établir et d'observer tous les paramètres pertinents dans ce système», explique Schaller. "Grâce à cette approche, nous pouvons tester expérimentalement les propositions de différentes théories sur l'auto-organisation? Et que sur l'échelle minuscule de« nanomachines ».

Ouvrages d'art grappes comme des vagues, spirales ou commandés semblent apparaître spontanément au cours des expériences. Certaines de ces structures d'atteindre une taille de près d'un millimètre et reste stable jusqu'à 45 minutes avant de se dissoudre à nouveau. Sur la base de ces observations, Frey, avec son étudiant au doctorat, Christoph Weber, a développé des modèles théoriques pour décrire les résultats expérimentaux. Avec la combinaison de modèles théoriques extensible et une expérience précisément contrôlables, les physiciens ont mis en place pour s'attaquer aux problèmes plus difficiles et à démêler leurs principes sous-jacents.

"Phénomènes d'auto-organisation nous entourent à tous les niveaux de notre vie», dit Bausch. »Il commence par les embouteillages et le mouvement des foules humaines ou le fourmillement des animaux et s'étend tout le chemin à l'organisation des processus biologiques. Exemples importants sont la formation du cytosquelette cellulaire ou des protéines de transport facilité par des protéines motrices dans les cellules." Les principes sous-jacents, si? que ce soit dans les systèmes économiques, biologiques ou physiques? sont encore parmi les grandes questions ouvertes de la physique théorique. «Pour notre compréhension de la nature, ainsi, il ya beaucoup de principes fondamentaux qui restent à découvrir», souligne Frey. "Toutefois, les prévisions ne devraient pas être appliqués à la dynamique des foules de l'homme sur-la hâte? Jusqu'à présent, leur complexité est beaucoup trop grand pour être capturés dans des modèles théoriques simples."