Modellierung & Nutzung Weicher Materie im Nichtgleichgewicht

Eines der großen Rätsel der Biologie ist, wie lebende Materie (z.B. Zellkolonien, Schwärme von Bakterien oder Gruppen von Spermien) sich ohne zentrale Steuerung bewegen und organisieren kann. Ähnlich wie ein Vogelschwarm am Himmel oder ein Schwarm Fische im Meer zeigen auch diese winzigen Organismen überraschende Formen kollektiven Verhaltens. Ein besonders anschauliches Beispiel stammt aus der tierischen Fortpflanzung: Spermien bewegen sich oft in koordinierten Gruppen, wenn sie sich durch die dichte, komplexe Flüssigkeit des Gebärmutterhalses den sogenannte Zervixschleim fortbewegen. Warum dieses kollektive Schwimmen auftritt, wie es entsteht und welche evolutionären Vorteile es bringt, sind Fragen, die Biologen wie auch Physiker gleichermaßen faszinieren. Die Untersuchung solcher Systeme ist jedoch äußerst anspruchsvoll. Im Gegensatz zu unbelebter Materie bewegen sich lebende Organismen nur selten auf vorhersehbare Weise. Ihre ständige Aktivität versetzt sie in einen sogenannten Nichtgleichgewichtszustand ein Fachbegriff, der bedeutet, dass sie fortwährend Energie verbrauchen, um Bewegung zu erzeugen, anstatt in einem stabilen, ausgeglichenen Zustand zu verharren. Das Forschungsprojekt Modellierung und Nutzung weicher Materie im Nichtgleichgewicht nimmt sich dieser Herausforderung mit einem schrittweisen, reduktionistischen Ansatz an. Anstatt jedes Detail eines komplexen biologischen Systems nachzubilden, reduzieren die Forschenden es auf seine wesentlichen Eigenschaften. Ziel ist es, vereinfachte Modelle zu entwickeln, die dennoch die entscheidenden Dynamiken und Muster des kollektiven Verhaltens er fassen. Um dies zu erreichen, kombiniert das Team Methoden aus der theoretischen statistischen Physik mit modernen Verfahren des maschinellen Lernens und schafft so leistungsstarke Computersimulationen, die das Verhalten lebender Systeme in der realen Welt erstaunlich genau nachahmen können. Diese Modelle helfen nicht nur dabei, die grundlegenden Prinzipien des Lebens im Mikrokosmos zu verstehen. Sie könnten auch ne ue Technologien inspirieren. Ein Ziel ist es, zum Beipsiel, die kollektive Bewegung von Mikroorganismen als erneuerbare, mikroskopi sch kleine Energiequelle nutzbar zu machen vielleicht eines Tages sogar, um winzige medizinische Roboter anzutreiben, die direkt im menschlichen Körper arbeiten können. Kurz gesagt: Dieses Projekt schlägt eine Brücke zwischen Biologie, Physik der weichen Materie und Informatik, um mehrere fundamentale Frage zu beantworten: Wie organisiert sich das Leben, wie können wir systematisch Modelle von lebendigen Systemen erstellen, und wie können wir dieses Wissen nutzen, um Innovationen für die Zukunft zu entwickeln?