Wissenschaftler des MPI-DS enthüllen eine bakterielle Interaktion, die zu komplexen Mustern führt, und stellen ein vielseitiges Modell vor, das das kollektive Verhalten von Entitäten, von Bakterien bis hin zu Roboterschwärmen, entschlüsseln kann. Ein neues Modell legt nahe, dass das Verfolgen von Interaktionen dynamische Muster in der Organisation von Bakterienarten induzieren kann.
Durch gezielte Wechselwirkungen zwischen zwei Bakterienarten können Strukturmuster entstehen. In einem neuen Modell beschreiben Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation (MPI-DS), wie Interaktionen auf individueller Ebene zur Selbstorganisation von Arten führen, und ihre Ergebnisse geben Einblicke in allgemeine Mechanismen kollektiven Verhaltens.
In einer aktuellen Studie haben Wissenschaftler der Abteilung Physik lebender Materie am MPI-DS ein Modell zur Beschreibung von Kommunikationswegen in Bakterienpopulationen entwickelt. Bakterien zeigen allgemeine Organisationsmuster, indem sie die Konzentration von Chemikalien in ihrer Umgebung wahrnehmen und ihre Bewegungen anpassen.
„Wir haben eine nicht-reziproke Interaktion zwischen zwei Bakterien simuliert“, erklärt Erstautor YuDuan. „Das bedeutet, dass Art A Art B jagt und das Ziel von Art B darin besteht, Art A abzuwehren.“ Die Forscher fanden heraus, dass diese Verfolgungs- und Vermeidungsinteraktion allein ausreichte, um ein strukturelles Muster zu bilden. Die Art des erzeugten Musters hängt von der Intensität der Interaktion ab. Dies ergänzt eine frühere Studie, in der ein Modell vorgeschlagen wurde, das auch intraspezifische Interaktionen von Bakterien zur Bildung eines Musters berücksichtigte.
In diesem neuen Modell sind auch die Auswirkungen der Bakterienbewegung berücksichtigt, die keine Adhäsion oder Ausrichtung erfordert, um komplexe Überstrukturen mit Millionen von Individuen zu bilden. „Während die Dynamik der Bakterienpopulation eine allgemeine Ordnung zeigt, ist dies auf der Ebene einzelner Bakterien nicht der Fall. Insbesondere scheinen sich einzelne Bakterien ungeordnet zu bewegen, mit einer Struktur, die nur auf höheren Ebenen sichtbar ist, was sehr faszinierend ist“, schließt Benoît Mahault, Gruppenleiter der Abteilung Physik lebender Materie am MPI-DS.
Das Modell ermöglicht auch die Berücksichtigung von mehr als zwei Arten, wodurch sich die Anzahl möglicher Interaktionen und entstehender Muster erhöht. Es ist erwähnenswert, dass es auch nicht auf Bakterien beschränkt ist und auf eine Vielzahl kollektiver Verhaltensweisen angewendet werden kann. Dazu gehören lichtgesteuerte Mikroschwimmer, soziale Insekten, Tierschwärme und Roboterschwärme. Diese Studie liefert daher allgemeine Einblicke in die Mechanismen, die großräumige Strukturen in Netzwerken mit vielen Komponenten bilden.