Wie spontane Asymmetrie zum Leben beiträgt

In nicht-reziproker aktiver Materie wirken Akteure unterschiedlich aufeinander ein, was scheinbar im Widerspruch zum dritten Newtonschen Gesetz steht. Dieses Prinzip bedingt charakteristische Eigenschaften wie Selbstantrieb, molekulare Regulation und kollektive Bewegung. Ein neues Modell beschreibt nun, wie solche nicht-reziproken Wechselwirkungen spontan zwischen chemisch aktiven Vesikeln entstehen können. Forschende der Abteilung Physik lebender Materie am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation (MPI-DS) zeigten, dass diese Systeme dynamisch zwischen Ignorieren, Anziehen, Abstoßen und Verfolgen wechseln können.

„In unserer Arbeit beschreiben wir eine grundlegend neue Klasse intelligenter Systeme aus aktiver Materie“, sagt Jakob Metson. „Bemerkenswerterweise entstehen diese nicht-reziproken Wechselwirkungen zwischen den Vesikeln spontan durch die Aufhebung der Symmetrie der chemischen Reaktionen“, fügt er hinzu.

Enzymatische Aktivität als treibende Kraft

Die treibende Kraft dieses Mechanismus basiert auf enzymatischer Aktivität innerhalb semipermeabler Vesikel. Diese generiert chemische Konzentrationsgradienten zwischen Vesikelinnerem und Umgebung, welche das dynamische Verhalten steuern. Nicht-Reziprozität tritt auf, wenn die Konzentration in einem Vesikel das Umgebungsniveau übersteigt, während sie im anderen Vesikel darunter liegt. Durch kontinuierliche enzymatische Reaktionen verändert sich dieser Zustand zeitlich spontan oder gezielt. Externe Manipulationen – etwa die Zugabe weiterer Reaktanten – erlauben zudem eine deutliche Modifikation der Wechselwirkungen. Ursprünglich identische Vesikel entwickeln somit auf Basis ihres chemischen Status hochelastische und adaptive Interaktionsmuster.

Ramin Golestanian fasst zusammen: „Dieser konzeptionelle Rahmen bietet ein bemerkenswertes Maß an Flexibilität für die emergenten Eigenschaften der aktiven Suspension. Das konzeptionelle Paradigma, das unserer Arbeit zugrunde liegt, ist das der emergenten Symmetrien und der damit verbundenen spontanen Symmetriebrechung.“

Perspektiven für die Ursprungsforschung des Lebens

Die gewonnenen Erkenntnisse legen nahe, dass Protozellen mit vergleichbaren Eigenschaften am evolutionären Ursprung des Lebens standen. Damit eröffnet die Studie neue analytische Perspektiven auf die biophysikalische Genese essenzieller Lebensmerkmale wie Signalübertragung, Wahrnehmung und Mobilität.

Quelle

Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation (10/2026)