MPI-DS Beiträge zum Jahrbuch der MPG

Wir entwickeln Modell-Agenten, deren kognitive Kapazität beschränkt werden kann und die in Gemeinwohlspielen menschenähnlich agieren. Die Erforschung ihres kollektiven Verhaltens in vernetzten Spielgeometrien soll den Weg zu prädiktiven Simulationen gesellschaftlicher Gleichgewichte und Instabilitäten ebnen. Erste Ergebnisse zeigen bemerkenswerte Universalitäten in der Bereitschaft zur Investition in Gemeingüter, abhängig vom Grad der Vernetzung der Spielgruppen. Diese Ergebnisse korrelieren gut mit Alltagserfahrungen.

Trotz zahlreicher Forschungsansätze ist immer noch nicht ganz klar, wie die einzelnen Bestandteile einer Zelle sich selbst organisieren, um eine lebende Zelle zu bilden. In der kürzlich gegründeten Abteilung Physik lebender Materie suchen wir nach neuer Physik in lebenden Systemen. Dabei überwinden wir Skalengrenzen – von einzelnen Molekülen bis hin zu makroskopischen Systemen – und decken allgemeine Prinzipien auf, die für die Entstehung und Organisation von lebender Materie sowie synthetischer, lebensähnlicher aktiver Materie entscheidend sind.
 

Im Frühjahr 2020 wurde die Welt von einem Virus überrascht: SARS-CoV-2 breitete sich zügig aus und stellte jeden einzelnen vor unerwartete Herausforderungen. Wir haben in Göttingen innerhalb von Wochen wegweisende neue Erkenntnisse zur Ausbreitung und Eindämmung von COVID-19 vorgelegt: Wir haben die Ausbreitung analysiert und vorhergesagt, die Aerosolbelastung und Wirksamkeit von Masken quantifiziert und realistische Eindämmungsstrategien entworfen. All diese Erkenntnisse haben wir über Pressearbeit und Stellungnahmen der Öffentlichkeit schnellstmöglich zur Verfügung gestellt.

 

Um das Verkehrsaufkommen auf unseren Straßen zu reduzieren, muss die Zahl der Passagiere je Fahrzeug erhöht werden. Dies kann durch Ride-Pooling und durch die Stärkung der Liniendienste geschehen. Mithilfe der Methoden der statistischen Physik haben wir eine Theorie solcher Systeme entwickelt, deren Vorhersagen wir durch Experimente (Pilotprojekte) bestätigen konnten. Wir haben dieses System inzwischen in die Nähe der Marktreife gebracht und streben in naher Zukunft eine kommerzielle Verwertung an mit dem Ziel, die Städte lebenswerter und das Land mobiler zu machen.

Das unzureichende Verständnis der Wolkenphysik ist eine Hauptquelle für die Unsicherheit in Wetter- und Klimamodellen. Neben Wasserdampf bestehen Wolken aus Wassertropfen und Eispartikeln. Ihre Dynamik wird maßgeblich durch den hohen Grad an Turbulenz innerhalb der Wolken beeinflusst. Die Frage nach besseren Wetter- und letztendlich Klimavorhersagen ist daher eng mit dem Verständnis der Turbulenz und ihrer Rolle für die Mikrophysik der Wolken verknüpft. Ein besseres Verständnis dieser Phänomene ist das Ziel neuer experimenteller und theoretischer Untersuchungen am MPIDS..

Ein Tsunami kann die Energie eines Seebebens in bestimmte Richtungen bündeln und dort verheerende Zerstörungen anrichten. Aktuelle Forschungsergebnisse des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation zeigen, dass selbst sehr geringe Variationen in der Ozeantiefe zu solch einer Fokussierung und damit zu starken Fluktuationen in der Höhe von Tsunamis führen können. Dieser Effekt der Flussverästelung hat entscheidende Bedeutung für die Art und Weise, in der sich Tsunamis vorhersagen lassen.

Aktiver und gerichteter Flüssigkeitstransport sind lebenswichtig für eukaryotische Organismen. Die Aufgabe des Transportes übernehmen oft zilienbesetzte Gewebe wie z. B. die Innenseite des Ventrikelsystems in Säugetiergehirnen. Durch eine neuartige Methode wurde eine hohe Komplexität der durch Zilien generierten Ströme im dritten Hirnventrikel nachgewiesen. Ziliengewebe, die mit einer derartigen Präzision arbeiten sind auch für die synthetische Biologie und technische Anwendungen interessant. Daher versucht unsere AG am MPI für Dynamik und Selbstorganisation solche Zilienteppiche nachzubilden.

Beim Eindringen von Flüssigkeiten in porösen Medien entstehen komplizierte Strukturen, deren Erklärung ein hochrelevantes Problem für viele Bereiche der Geowissenschaften, der Verfahrenstechnik und des täglichen Lebens ist. Dennoch haben rund fünfzig Jahre intensiver Forschung nicht die Mechanismen aufklären können, die für die Entstehung dieser Strukturen verantwortlich sind. Wir haben herausgefunden, dass des Rätsels Lösung viel einfacher ist als gedacht. Der Mechanismus ist gut versteckt, aber so simpel, dass man die wichtigsten Größen mittels Schulmathematik berechnen kann.

Die heutige Artenvielfalt ist das Resultat eines langen Prozesses aus Entstehung und Aussterben von Arten. Der Verlauf dieses Prozesses lässt sich mithilfe von Fossiliendatenbanken nachvollziehen. Ein neues mathematisches Modell des Netzwerkes von Abhängigkeiten zwischen den Arten hilft, die Mechanismen dieses Prozesses besser zu verstehen. Das Modell kann z. B. erklären, unter welchen Bedingungen das Aussterben einzelner Arten ein Massenaussterben auslösen kann und weshalb die Artenvielfalt im Meer und auf dem Land einem qualitativ unterschiedlichen Wachstum folgt.

Actin-getriebene Zellbewegung ist die Basis einer Vielzahl biologischer Prozesse. Neuere Arbeiten zeigen, dass ein interner Taktgeber die Dynamik des Actin-Systems steuert und das Antwortverhalten gegenüber äußeren chemischen Reizen bestimmt.

Die Dynamik von Netzwerken bestimmt unser Leben. Von biochemischen Reaktionen in Zellen und Schaltkreisen im Gehirn, zu Netzwerken sozialer Kontakte und zum Stromnetz − all dies sind Netzwerke von Einheiten, die durch nichtlineare Rückkopplungen komplexe Funktionen erzeugen. Doch wir verstehen sie nicht. Forscher betreten derzeit Neuland auf dem Weg zu einer zukünftigen „Netzwerk-Wissenschaft”, einer einzigartigen transdisziplinären Unternehmung, die nicht von traditionellen Fächern wie der Physik oder Biologie, den Ingenieurs- oder Sozialwissenschaften allein erfasst werden kann.

Ausbreitungsphänomene gibt es in vielen komplexen Systemen. Sie spielen z. B. eine wichtige Rolle bei der Entstehung von Epidemien und der Verbreitung evolutionärer Fortschritte. Die meisten bisherigen Theorien solcher Prozesse vernachlässigen oder vereinfachen den Einfluss von Zufallseffekten. Gerade im Falle der Evolution zeigt sich aber, dass evolutionäre Anpassung nicht zu verstehen ist unter Vernachlässigen von Zufällen. Wir berichten von einem signifikanten Fortschritt in der Analyse solcher stochastischer Ausbreitungsprozesse.

Turbulente Strömungen entstehen oft aus räumlich begrenzten turbulenten Wirbeln, die sich dann wie ein Waldbrand ausbreiten. Wie funktioniert diese Ausbreitung? Erste Antworten liefern Methoden der Theorie dynamischer Systeme: Es konnten spezielle Lösungen der Strömungsgleichungen konstruiert werden, die Aspekte der raumzeitlichen Ausbreitung beschreiben. Dabei ergeben sich unerwartete Beziehungen zu den bekannten Prozessen, die auch den charakteristischen Fellmustern verschiedener Tierarten zugrunde liegen.

Strömungen sind bei kleinen Geschwindigkeiten laminar und werden mit steigenden Flussraten turbulent. Wann genau Turbulenzen erstmals auftreten lässt sich selbst für sehr einfache Geometrien nicht leicht vorhersagen. Seit der ersten Untersuchung durch Osborne Reynolds im späten 19. Jahrhundert versuchten Wissenschaftler diese Frage für die Rohrströmung zu beantworten. Trotz vieler Lösungsversuche in den letzten 125 Jahren konnte diese Frage erst jetzt von Forschern am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation mit Kollegen von der University of Warwick beantwortet werden.

In den letzten Jahren finden HPC-Cluster größere Verbreitung auch abseits der großen Rechenzentren. Mit der höheren Rechenleistung sind aber auch höhere Anforderungen an die Infrastruktur verbunden. Insbesondere die effiziente Kühlung solcher Systeme stellt ein Problem dar.

Es wird ein Konzept vorgestellt, mit dem sich funktionale Nanosysteme durch Selbst-Assemblierung "weicher" Materie realisieren lassen sollten. Die Wahl weicher Materie ist naheliegend, weil die Natur bei der Entstehung des Lebens diese Stoffklasse erfolgreich gewählt hat. Anhand einiger Beispiele wird demonstriert, dass sich in Gel-Emulsionen mit definierter Tröpfchengröße, die sich in vorgegebenen Kanalgeometrien in definierter Weise anordnen, durchaus komplexe Abläufe implementieren lassen.

Lebensgefährliche Herzrhythmusstörungen sind die Folge komplexer, oftmals chaotischer, raum-zeitlicher Erregungsmuster des Herzens. Das Verständnis der zugrundeliegenden dynamischen Prozesse eröffnet neue Perspektiven für Diagnostik und Therapie.

Die allgemeinen Prinzipien, die die Struktur und Funktion der Netzwerke im Gehirn ausmacht, sind bis jetzt nicht vollständig verstanden. Kürzlich haben Experimente die folgende theoretische Hypothese unterstützt: Kortikale Netzwerke organisieren sich so, dass sie sich nahe am kritischen Punkt zwischen Chaos und Stagnation befinden. Dieser Zustand kann für die Hirnfunktion in vielerlei Hinsicht von Bedeutung sein, zum Beispiel beim Optimieren der Sensitivität für Sinnesreize. Es wird untersucht, wie neuronale Netzwerke ihren kritischen Zustand erreichen und beibehalten können.

Fortschritte in ökonomischen und gesellschaftlichen Fragen, wie denen der Energieerzeugung, des Klimawandels und der Umweltverschmutzung, werden durch ein fehlendes Verständnis turbulenter Strömungen behindert. Turbulenz tritt auf, wenn die Reibungskräfte in einer Strömung klein gegenüber den treibenden Kräften sind. In der Praxis gilt dies für alle makroskopischen natürlichen und technologischen Strömungen. Um die universellen Eigenschaften der Turbulenz zu untersuchen, ist es essentiell, höchste Turbulenzgrade im Labor unter kontrollierten Bedingungen zu erzeugen, was erstmals in der Göttinger Turbulenzanlage ermöglicht wird.

Werden viele gleichartige Systeme miteinander gekoppelt, treten oft völlig unerwartete kollektive Phänomene auf. Diese sind wesentlich bei der Entstehung von Strukturen beteiligt, sowohl im Universum als auch auf der Erde. Um diese Mechanismen zu verstehen, werden einfache Modellsysteme untersucht, z.B. feuchte Granulate, wie man sie von der Sandburg am Strand kennt. Wir finden eine Reihe interessanter Ähnlichkeiten mit gut verstandenen Gleichgewichtssystemen, was einen vielversprechenden Weg zur tieferen Erforschung dieses interessanten Gebietes weist.

Die wachsende Mobilität der Menschen ist die zentrale Ursache für die geographische Ausbreitung moderner Seuchen. Bakterien und Viren können über große Strecken transportiert und an andere Personen weitergegeben werden. Um die Ausbreitung von Epidemien vorherzusagen, muss man daher die statistischen Gesetzmäßigkeiten des menschlichen Reiseverhaltens kennen, was angesichts einer drohenden Grippepandemie von großer Bedeutung ist.

Die Mechanismen raumzeitlicher Strukturbildung in Biologie und Medizin sind entscheidend für das Verständnis lebender Materie von der Zelle bis zum Organ. Das Phänomen der Selbstorganisation wird u. a. beobachtet in der chemotaktischen Bewegung von Zellen, die zu komplexem kollektiven Verhalten und Strukturen führt. Auf dem Niveau des Organs ist die nichtlineare Wechselwirkung von Herzmuskelzellen evident im Übergang von periodischem Herzrhythmus in raumzeitliches Chaos, verantwortlich für den plötzlichen Herztod. Wir beschreiben unsere experimentelle und numerische Arbeit zur Erforschung dieser biophysikalischen Systeme.

Es wird ein neuartiges Konzept für fluide Mikroprozessoren vorgestellt, das es erlaubt, große Mengen (bio-) chemischer Reaktionen quasi parallel und in komplexer Folge auf einem Mikrochip ablaufen zu lassen. Es beruht auf der gezielten Nutzung der Wechselwirkung der Geometrie geätzter Mikrokanalstrukturen mit der schaumartigen inneren Topologie trockener Emulsionen.

Bei der zukünftigen Miniaturisierung mechanischer und elektronischer Bauteile wird der Transport von Material, Energie und Information über Nanometerskalen auf neuen physikalischen Prinzipien beruhen müssen, wobei die Rolle von Quanteneffekten zu- und die von dissipativen, Wärme erzeugenden Prozessen abnehmen wird. Wir untersuchen hier, ob und wie ein grundlegender Transportmechanismus, der so genannte Ratscheneffekt, im Grenzfall verschwindender Dissipation wirksam bleibt. Die Antwort ergibt sich aus einer Analyse der meist sehr komplexen Phasenraumstruktur typischer Hamiltonscher Systeme, in denen reguläre und chaotische Dynamik koexistieren.