Los físicos de LMU han demostrado que las fases topológicas podrían existir en biología, y al hacerlo, han identificado un vínculo entre la física del estado sólido y la biofísica.

El concepto de transiciones de fase topológica se ha convertido en un tema importante en la física teórica, y se aplicó por primera vez a la caracterización de estados inusuales de la materia en la década de 1980. El efecto Hall cuántico (QHE) es un ejemplo en el que las ideas extraídas de la topología han arrojado nuevos conocimientos sobre fenómenos inicialmente desconcertantes. El QHE se observa en películas atómicamente delgadas. Cuando estos, efectivamente bidimensional, los materiales están sujetos a un campo magnético que varía suavemente, su resistencia eléctrica cambia en pasos discretos. La importancia de tales estados topológicos en la física de la materia condensada fue reconocida por la concesión del Premio Nobel de Física 2016 a sus descubridores.

Ahora, los físicos de LMU dirigidos por el profesor Erwin Frey han utilizado este mismo concepto topológico para dilucidar la dinámica de un sistema de modelo biológico. "Preguntamos si los tipos de transiciones de fase topológicas escalonadas descubiertas en la física del estado sólido podrían encontrarse en sistemas biológicos, "dice Philipp Geiger, estudiante de doctorado en el equipo de Frey y primer autor conjunto del nuevo estudio junto con Johannes Knebel. El sistema modelo elegido para la investigación fue uno que el grupo de Frey había empleado previamente para investigar la dinámica poblacional de ecosistemas en los que diversas especies móviles compiten entre sí.

Los elementos básicos que se utilizan para modelar este sistema son los ciclos piedra-papel-tijera (RPS), que son un elemento clásico de la teoría de juegos. Cada uno de estos elementos (o estrategias) derrota a uno de los otros, pero sucumbe al tercero. "A partir de este modelo básico, Creamos una cadena de interacción conectando muchos de estos ciclos RPS entre sí, "Explica Geiger". Además, hicimos que el modelo original tuviera un carácter mucho más abstracto ".

En su versión abstracta del modelo, en el que las especies compiten con sus vecinos más cercanos en relaciones de dominio que se rigen por las reglas de RPS, los autores observaron la aparición de un fuerte grado de polarización en un lado u otro de la red de interacción. En otras palabras, las especies en estas posiciones llegaron a dominar todo el sistema. Se demostró que si la dinámica evolutiva del modelo condujo a la polarización máxima en el lado izquierdo o derecho de la cadena de interacción depende únicamente de la relación cuantitativa entre solo dos tasas de interacción, y, por lo demás, la dinámica fue robusta frente a pequeñas perturbaciones en la fuerza de las interacciones.

Con la ayuda de métodos extraídos de la física del estado sólido, Frey y sus colegas pudieron explicar la polarización de la dinámica evolutiva en términos de fases topológicas, de tal modo que los cambios de polarización podrían tratarse de la misma forma que las transiciones de fase. "El modelo muestra por primera vez que tales efectos pueden ocurrir en biología, "dice Frey." Este estudio puede verse como el primer paso hacia la aplicación del concepto de fases topológicas en sistemas biológicos. Incluso es concebible que se puedan hacer uso de fases topológicas en el contexto del análisis de redes reguladoras genéticas. Cómo se pueden realizar estas fases de forma experimental es una cuestión interesante y una tarea desafiante para la investigación futura ".