Ein neues Modell zeigt, dass Verfolgungsinteraktionen dynamische Muster in der Organisation von Bakterienarten induzieren können. Durch die gezielte Interaktion zwischen zwei Bakterienarten können Strukturmuster entstehen.
Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation (MPI-DS) beschreiben in dem neuen Modell, wie Interaktionen auf individueller Ebene zu einer globalen Selbstorganisation von Arten führen können. Ihre Ergebnisse geben Einblicke in allgemeine Mechanismen kollektiven Verhaltens. Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift veröffentlicht Briefe zur körperlichen Untersuchung.
In einer aktuellen Studie haben Wissenschaftler der Abteilung Physik lebender Materie am MPI-DS ein Modell entwickelt, das Kommunikationswege in Bakterienpopulationen beschreibt. Bakterien zeigen ein allgemeines Organisationsmuster, indem sie die Konzentration von Chemikalien in ihrer Umgebung wahrnehmen und ihre Bewegung anpassen.
Die Struktur wird erst auf einer höheren Ebene sichtbar
„Wir haben die nicht-reziproke Interaktion zwischen zwei Bakterienarten modelliert“, erklärt Erstautor Yu Duan. „Das bedeutet, dass Art A Art B jagt, während B darauf abzielt, sich von A abzuwehren“, fährt er fort.
Die Forscher fanden heraus, dass allein diese Verfolgungs- und Vermeidungs-Wechselwirkung ausreicht, um ein Strukturmuster zu bilden. Die Art des resultierenden Musters hängt von der Stärke der Wechselwirkung ab. Dies ergänzt eine frühere Studie, in der ein Modell vorgeschlagen wurde, das auch interspeziesinterne Interaktionen der Bakterien einbezog, um ein Muster zu bilden.
Im neuen Modell, das auch den Effekt der bakteriellen Motilität berücksichtigt, sind weder Adhäsion noch Ausrichtung erforderlich, um komplexe Überstrukturen zu bilden, die Millionen von Individuen umfassen.
„Obwohl die Dynamik der Bakterienpopulation eine globale Ordnung zeigt, ist dies auf der Ebene der einzelnen Bakterien nicht der Fall. Insbesondere scheint sich ein einzelnes Bakterium ungeordnet zu bewegen, wobei die Struktur erst auf einer höheren Ebene sichtbar wird, was sehr ist.“ faszinierend“, fasst Benoît Mahault, Gruppenleiter in der Abteilung Physik lebender Materie am MPI-DS, zusammen.
Ein allgemeines Modell für kollektives Verhalten
Das Modell ermöglicht auch die Berücksichtigung von mehr als zwei Arten, wodurch die Anzahl möglicher Interaktionen und entstehender Muster erhöht wird. Bemerkenswerterweise ist es auch nicht auf Bakterien beschränkt, sondern kann auf eine Vielzahl kollektiver Verhaltensweisen angewendet werden. Dazu gehören lichtgesteuerte Mikroschwimmer, soziale Insekten, Tiergruppen und Roboterschwärme.
Die Studie liefert daher allgemeine Einblicke in die Mechanismen, die für die Bildung großräumiger Strukturen in Netzwerken mit vielen Komponenten verantwortlich sind.
Mehr Informationen:
Yu Duan et al., Dynamische Musterbildung ohne Selbstanziehung in Quorum-Sensing Active Matter: Das Zusammenspiel zwischen Nichtreziprozität und Motilität, Briefe zur körperlichen Untersuchung (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.148301