Светлячки, сердцебиение и наука о синхронизации

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

Теперь, в новом исследовании, опубликованном в выпуске журнала Science от 8 марта, исследователи из Калифорнийского технологического института экспериментально показали, как простая сеть идентичных синхронизированных наномашин может приводить к несинхронизированным сложным состояниям. Представьте себе линию танцоров Rockette: когда все они одновременно бьют ногами, они синхронизированы. Одно из сложных состояний, наблюдаемых в результате простой сети, было бы похоже на то, как танцоры Rockette выбивают ноги "не в фазе" друг с другом, когда каждый другой танцор поднимает ногу, в то время как танцоры между ними только что завершили удар.

Результаты экспериментально демонстрируют, что даже простые сети могут привести к усложнению, а это знание, в свою очередь, может в конечном итоге привести к созданию новых инструментов для управления этими сетями. Например, лучше понимая, как сердечные клетки или энергосистемы проявляют сложность в кажущихся однородными сетях, исследователи могут разработать новые инструменты для восстановления ритма этих сетей.

"Мы хотим узнать, как мы можем просто пощекотать или слегка подтолкнуть систему в правильном направлении, чтобы вернуть ее в синхронизированное состояние", - говорит Майкл Л. Рукс, профессор физики, прикладной физики и биоинженерии имени Фрэнка Дж. Рошека в Калифорнийском технологическом институте и главный исследователь нового научного исследования. "Возможно, это могло бы породить форму новых, менее жестких дефибрилляторов, например, для того, чтобы шокировать сердце, возвращая его к ритму".

Синхронизированные колебания были впервые отмечены еще в 1600-х годах, когда голландский ученый Кристиан Гюйгенс, известный открытием спутника Сатурна Титана, отметил, что два маятниковых часа, подвешенных к общей опоре, в конечном итоге начнут тикать в унисон. На протяжении веков математики и другие ученые придумывали 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 обладают способностью самостоятельно тикать, посылая повторяющиеся сигналы. Узлы также должны быть каким-то образом соединены друг с другом (через сетевые ребра), чтобы они могли обмениваться данными и отправлять сообщения о своих различных состояниях.

Но с начала 2000-х годов также наблюдалось, что эти сети, даже если они состоят из идентичных осцилляторов, могут спонтанно нарушать синхронизацию и превращаться в сложные структуры. Чтобы лучше понять, что происходит, Рукс и его коллеги начали разрабатывать сети колеблющихся наномеханических устройств. Они начали с простого соединения двух, а теперь, в новом исследовании, разработали взаимосвязанную систему из восьми.

К удивлению команды, восьмиузловая система спонтанно эволюционировала в различные экзотические, сложные состояния. "Это первая экспериментальная демонстрация того, что в одной и той же простой системе может возникать множество различных сложных состояний", - говорит соавтор Джеймс Кратчфилд, приглашенный научный сотрудник по физике в Калифорнийском технологическом институте и профессор физики в Калифорнийском университете в Дэвисе.

Возвращаясь к метафоре Rockettes, другим примером одного из этих сложных состояний было бы, если бы все остальные танцоры поднимали ногу, в то время как танцоры между ними делали что-то совершенно другое, например, махали шляпами. И примеры становятся еще более тонкими, чем этот; пары танцоров выполняют одни и те же движения, в то время как пары других танцев делают что-то другое.

"Озадачивающая особенность этих конкретных состояний заключается в том, что ракеты в нашей метафоре могут видеть только своего ближайшего соседа, но при этом умудряются координировать свои действия с соседом своего соседа", - говорит ведущий автор Мэтью Матени, научный сотрудник Калифорнийского технологического института и член Института нанонауки Кавли.

"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 намекали раньше, но не было показано экспериментально до сих пор ".

"Эти экзотические состояния, возникающие из простой системы, мы называем возникающими", - говорит Рукес. "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 могут понять о том, как сети развиваются с течением времени, тем точнее они могут управлять ими полезными способами. И в конечном итоге они могут даже применить то, что они изучают, для моделирования и лучшего понимания человеческого мозга - одной из самых сложных сетей, о которых мы знаем, с не только восемью узлами, но и 200 миллиардами нейронов, соединенных друг с другом, как правило, тысячами синаптических ребер.

"Прошли десятилетия после появления первых научных теорий синхронизации, и мы только сейчас начинаем понимать, что происходит", - говорит Рукес. "Пройдет немало времени, прежде чем мы поймем невероятно сложную сеть нашего мозга".