In einem lebenden kondensierten Medium gibt es spezielle Phasenübergänge • Igor Ivanov • Wissenschaftsnachrichten zu "Elementen" • Physik, Ökologie

In der kondensierten Materie gibt es spezielle Phasenübergänge.

Abb. 1. Scharfe Ausfällung von "lebender verdichteter Materie" mit einer Abnahme des Aktivitätsniveaus unter dem kritischen Wert. Die einzelnen Balken zeigen unterschiedliche Zeitpunkte, die Partikelkonzentration ist farblich markiert. Die unteren 5% der gesamten Tiefe des Reservoirs sind aus Gründen der Bequemlichkeit der Farbcodierung nicht gezeigt. Abb. aus dem Artikel in FragePhysische Überprüfungsschreiben

Britische Physiker, die das Modell eines "lebenden kondensierten Mediums" konstruiert und studiert hatten, fanden in ihm charakteristische Phasenübergänge. Dieses theoretische Konstrukt kann nützlich sein, wenn Kolonien von Mikroorganismen in echten natürlichen Ökosystemen beschrieben werden.

In der Natur gibt es oft Systeme, die aus einer großen Anzahl ähnlicher Objekte bestehen, die nach einigen einfachen Gesetzen miteinander interagieren. Aufgrund der Interaktion zwischen Objekten beginnt sich das gesamte System auf interessante, manchmal unerwartete Weise zu verhalten. Solche Systeme (sie werden als kondensierte Medien bezeichnet) können sehr unterschiedlich sein: Sie sind gewöhnliche Materie (dh nur eine Reihe von Molekülen), und fließende Medien und Verkehrsströme und sogar panische Massen. Aber sie alle haben eine universelle Eigenschaft: Es gibt Phasenübergänge in ihnen – dramatische Transformationen des Systems als Ganzes, verursacht durch eine reibungslose Veränderung der äußeren Bedingungen.

In einem Artikel von englischen Physikern kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht Physische Überprüfungsschreiben, beschreibt ein anderes kondensiertes Medium und eine neue Art von Phasenübergang in ihm. Das "Lebendes kondensiertes Medium"bestehend aus Partikeln (z. B. Bakterien), die sich vermehren und absterben können. Die theoretischen Berechnungen der Briten zeigten, dass die "Lebendigkeit" eines solchen Systems durchaus als neuer physikalischer Parameter betrachtet werden kann, und dann kann sein Verhalten durch Methoden der Festkörperphysik beschrieben werden.

In einem speziellen Modell, das von den Autoren berücksichtigt wurde, wurde eine Suspension von Teilchen in Wasser untersucht. Jedes Teilchen (Bakterien) unter der Einwirkung der Brownschen Bewegung kann zufällig in die Flüssigkeit hineinwerfen. Für ein "lebendes" Teilchen sollte diese Bewegung jedoch viel intensiver sein als für ein "totes" (Experimente zur Beobachtung echter Bakterien bestätigen dies). Zusätzlich wurde die Fähigkeit eines Teilchens, sich zu teilen oder zu sterben, berücksichtigt. Es wurde angenommen, dass die Wahrscheinlichkeiten dieser Ereignisse von der Konzentration von Partikeln an einem bestimmten Ort abhängig sind: je höher die Konzentration, desto weniger wahrscheinlich war die Teilung und desto wahrscheinlicher ist der Tod.Schließlich befand sich das gesamte System in einem einheitlichen Gravitationsfeld, so dass eine Abwärtsbewegung immer wahrscheinlicher war als eine Aufwärtsbewegung.

Die Entwicklung des resultierenden Modells wurde Schritt für Schritt auf einem diskreten räumlichen Gitter analysiert. Zuerst wurde der Bewegungsschritt durchgeführt und dann trat mit einiger Wahrscheinlichkeit das Stadium der Teilung oder des Todes ein. Die Wahrscheinlichkeit eines Divisions- / Todesereignisses in einer Bewegung war genau der physikalische Parameter, der die "Lebendigkeit" des kondensierten Mediums charakterisierte.

Numerische Simulation hat gezeigt, dass, wenn der "Lebendigkeitsparameter" klein ist, sich das System wie eine Suspension gewöhnlicher, unbelebter Teilchen verhält. In diesem Zustand neigen Partikel unter der Wirkung der Schwerkraft dazu, sich auf dem Boden abzusetzen und schwanken nur geringfügig in der Nähe aufgrund der Brownschen Bewegung. Die Verteilung der Partikel in der Tiefe ist in Abb. 2, auf der linken Seite. (Übrigens wurde das Gesetz der Verteilung von nicht lebenden Teilchen in der Tiefe zuerst von niemand anderem als Albert Einstein abgeleitet.)

Abb. 2 Die Verteilung der Konzentration von Partikeln in der Tiefe ("0" auf der horizontalen Achse – der Boden, "1" – die Oberfläche). Auf der linken Seite: niederaktive Teilchen setzten sich unter der Wirkung der Schwerkraft auf den Boden ab; auf der rechten Seite: ausreichend aktive Teilchen sind nahezu gleichmäßig im gesamten Reservoir verteilt. Abb. aus dem Artikel in FragePhysische Überprüfungsschreiben

Mit einem allmählichen Anstieg der "Lebendigkeit" änderte sich das Gesamtbild zunächst nicht viel, obwohl sich der mit Partikeln gefüllte Bodenbereich langsam vergrößerte. Als jedoch die "Lebendigkeit" den kritischen Wert überschritt, fand eine scharfe Umstrukturierung des Systems statt. Eine Kolonie von Partikeln "wuchsen" aus dem Bodenbereich und füllten fast den gesamten Wasserkörper gleichmäßig aus (Abb. 2, rechts). Das wahre Ding geschah im System. Phasenübergang durch die "Lebendigkeit" der Umwelt verursacht. Es ist wichtig, die Schärfe dieses Übergangs zu betonen: Entweder ist der schmale Bodenbereich gefüllt, oder – der gesamte Wasserkörper; Es gibt keinen stabilen "halben" Zustand.

Um diese Transformation besser zu verstehen, sind die Autoren von der numerischen Modellierung zu analytischen Gleichungen übergegangen. Als sie diese lösten, fanden sie heraus, dass die Ursache des Phänomens in der Konfrontation zwischen zwei Geschwindigkeiten liegt – der Geschwindigkeit der Koloniezuchtfront (oben) und der Partikelabscheidungsrate (abwärts) unter der Wirkung der Schwerkraft. Für die inaktive Umgebung war die Reproduktionswelle langsam und hatte einfach keine Zeit zu steigen.In der aktiven Wohnumgebung hingegen stieg die Reproduktionswelle im Gegensatz zur Schwerkraft durch die gesamte Dicke des Reservoirs. In Abb. Abbildung 1 zeigt die zeitliche Entwicklung des umgekehrten Prozesses – ein scharfer Niederschlag eines lebenden kondensierten Mediums, dessen "Lebendigkeit" unter dem Schwellenwert lag.

Solche abrupten Phasenübergänge können versucht werden, in einem Feldexperiment zu beobachten. Die "Lebendigkeit" einer Bakterienkolonie kann gesteuert werden, indem beispielsweise die Temperatur oder die Konzentration von Nährstoffen verändert wird. Gleichzeitig kann erwartet werden, dass das explosive Wachstum der Kolonie selbst bei einer reibungslosen Veränderung der äußeren Bedingungen für einen äußeren Beobachter völlig unvorhergesehen erscheint. Es ist möglich, dass ähnliche Phänomene in natürlichen Ökosystemen vorkommen.

Die Autoren der Arbeit erwähnen beiläufig Hinweise für weitere Forschungen. Lebende kondensierte Materie benötigt Nährstoffe und Energie für aktive Bewegung und Fortpflanzung. So können Sie versuchen, die Thermodynamik einer solch ungewöhnlichen Umgebung zu erstellen. Sie können auch den hydrodynamischen Aspekt berücksichtigen – denn bei einer hohen Konzentration von Bakterien in der Flüssigkeit treten unregelmäßige Mikroströme auf, die den gegenteiligen Effekt auf Bakterien haben.So erscheint ein neues interessantes Modell in der Physik des kondensierten Zustandes der Materie, das nützlich sein wird, um von verschiedenen Seiten zu studieren.

Quelle: C. Barrett-Freemanet al. Nichtgleichgewichtsphasenübergang bei der Sedimentation von Reproduktionspartikeln // Physische Überprüfungsschreiben 101, 100602 (5. September 2008). Der vollständige Text des Artikels ist im Archiv von e-prints (arXiv: 0805.4742) frei verfügbar.

Igor Iwanow


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