Светлячки, сердцебиение и наука о синхронизации

Новые эксперименты в области «науки о синхронизации» могут в конечном итоге привести к усовершенствованию инструментов для контроля энергосистем и аритмий сердца.

Светлячки, сердечные клетки, часы и электросети все это делают — они могут самопроизвольно синхронизироваться, отправляя сигналы в унисон. На протяжении веков ученые были озадачены этим самоорганизующимся поведением, придумывая теории и эксперименты, составляющие науку синхронизации. Но, несмотря на прогресс, достигнутый в этой области, все еще сохраняются загадки — в частности, как сети совершенно идентичных элементов могут не синхронизироваться.

Теперь, в новом исследовании, опубликованном 8 марта в журнале Science, исследователи Caltech экспериментально показали, как простая сеть идентичных синхронизированных наномашин может создавать несинхронные сложные состояния. Представьте себе линию танцоров Рокетт: когда они все пинают одновременно, они синхронизированы. Одно из сложных состояний, наблюдаемых в простой сети, было бы похоже на то, как танцоры «Рокетт» бьют ногами «в противофазе» друг с другом, когда каждый другой танцор поднимает ногу, в то время как танцоры между ними только что закончили удар.

Результаты экспериментально демонстрируют, что даже простые сети могут привести к сложности, и эти знания, в свою очередь, могут в конечном итоге привести к новым инструментам для управления этими сетями. Например, благодаря лучшему пониманию того, как сердечные клетки или электрические сети отображают сложность в, казалось бы, однородных сетях, исследователи могут разработать новые инструменты для приведения этих сетей в ритм.

«Мы хотим узнать, как мы можем просто щекотать или осторожно подтолкнуть систему в правильном направлении, чтобы вернуть ее в синхронизированное состояние», — говорит Майкл Л. Рукс, профессор физики, прикладной физики им. Фрэнка Дж. Рошка, и Биоинженерия в Калифорнийском технологическом институте и главный исследователь нового научного исследования. «Это, возможно, может породить форму новых, менее жестких дефибрилляторов, например, для того, чтобы снова заставить сердце биться в ритме».

Синхронизированные колебания впервые были отмечены еще в 1600-х годах, когда голландский ученый Кристиан Гюйгенс, известный тем, что он обнаружил луну Сатурна, Титан, отметил, что два маятниковых часа, подвешенные на общей опоре, в конечном итоге сошлись бы в унисон. На протяжении веков математики и другие ученые придумали различные способы объяснить странное явление, наблюдаемое также в клетках сердца и мозга, светлячках, облаках холодных атомов, циркадных ритмах животных и многих других системах.

По сути, эти сети состоят из двух или более осцилляторов (узлов сети), которые имеют возможность тикать самостоятельно, посылая повторяющиеся сигналы. Узлы также должны быть каким-то образом связаны друг с другом (через границы сети), чтобы они могли общаться и отправлять сообщения об их различных состояниях.

Но с начала 2000-х годов также наблюдалось, что эти сети, даже если они состоят из идентичных генераторов, могут самопроизвольно отключаться и развиваться в сложные модели. Чтобы лучше понять, что происходит, Рукс и его коллеги начали разрабатывать сети колеблющихся наномеханических устройств. Они начали с простого соединения двух, и теперь, в новом исследовании, разработали взаимосвязанную систему из восьми.

К удивлению команды, система с восемью узлами спонтанно развилась в различные экзотические, сложные состояния. «Это первая экспериментальная демонстрация того, что эти много различных сложных состояний могут возникать в одной и той же простой системе», — говорит соавтор Джеймс Крутчфилд, приглашенный сотрудник по физике в Калифорнийском технологическом институте и профессор физики в Калифорнийском университете в Дэвисе.

Возвращаясь к метафоре Рокетт, можно привести еще один пример одного из этих сложных состояний, если бы каждый другой танцор поднимал ногу, в то время как танцоры между ними делали что-то совершенно иное, как размахивали своими шляпами. И примеры становятся еще более нюансированными, чем этот; с парами танцоров, делающими одинаковые движения между парами других танцев, делающими что-то другое.

«Непонятная особенность этих конкретных состояний заключается в том, что ракеты в нашей метафоре могут видеть только своего ближайшего соседа, но при этом им удается координировать свои действия с соседом их соседа», — говорит ведущий автор Мэтью Матени, ученый-исследователь в Калифорнийском технологическом институте и член нанонауки Кавли. Институт.

«Мы не знали, что увидим», — говорит Матени. «Но эти эксперименты говорят нам о том, что вы можете получить сложность из очень простой системы. Это было то, на что намекнули раньше, но не показали экспериментально до сих пор».

«Эти экзотические состояния, возникающие из простой системы, — это то, что мы называем эмерджентными», — говорит Рукс. «Целое больше, чем сумма частей».

Исследователи надеются продолжать строить все более сложные сети и наблюдать, что происходит, когда подключено более восьми узлов. Они говорят, что чем больше они смогут понять, как сети развиваются с течением времени, тем больше они могут точно контролировать их полезными способами. И, в конце концов, они могут даже применить то, что они изучают, для моделирования и лучшего понимания человеческого мозга — одной из самых сложных сетей, которые мы знаем, с не только восемью узлами, но и 200 миллиардами нейронов, соединенных друг с другом, обычно тысячами синаптических ребер.

«Спустя десятилетия после первых теорий науки о синхронизации, и мы, наконец, только начинаем понимать, что происходит», — говорит Рукс. «Пройдет довольно много времени, прежде чем мы поймем невероятно сложную сеть нашего мозга».