Räumliche Information, Informationsflüsse und Dissipation in Migrationswellen Chemotaktischer Bakterienpopulationen.

• Antragsteller: Dr. Artur Wachtel
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 450908926

Viele biologische Arten bilden Gruppen, um die Überlebenschancen zu erhöhen. Diese Gruppen setzen häufig auf Kommunikation zwischen den Individuen, um die Gruppenstruktur zu erhalten. In diesen Fällen muss jedes Individuum in die Gruppe investieren, indem es Information bereit stellt, profitiert jedoch auch von der Information, die es von der Gruppe erhält. Dieses Projekt wird die fundamentalen Regeln dieser Art von Informationsaustausch quantifizieren. Dazu werde ich Migrationswellen chemotaktischer Bakterien als Modelsystem verwenden. Diese Bakterien verfolgen den Konzentrationsgradienten, der durch ihren gemeinsamen Verbrauch entsteht.Die Interaktionen in diesem System werden durch die räumlichen Strukturen in der chemischen Zusammensetzung der Umgebung vermittelt. Einzelne Bakterien erzeugen lokal Information durch Aufnahme oder Abgabe von Molekülen. Sie können Information extrahieren, indem sie die zeitlichen Veränderungen und räumlichen Gradienten der Konzentrationen wahrnehmen, die durch die Gruppe verursacht werden. Die Umgebung ermöglicht somit die Kommunikation durch einen indirekten Informationsaustausch.Ich werde diesen Prozess in drei Stufen modellieren: Zuerst werde ich neue Ideen der Thermodynamik fernab vom thermischen Gleichgewicht verwenden, um die Information zu quantifizieren, die in den räumlichen Strukturen enthalten sind, welche ein Bakterium in seiner Umgebung hinterlässt, und wie viel Arbeit dafür aufgewendet wird. Anschließend werde ich ein Maß für den Informationsfluss aus der Informationstheorie auf die zelluläre Skala verallgemeinern, um zu quantifizieren, wie viel Information eine wahrnehmende Zelle über die räumlichen Strukturen in seiner Umgebung sammeln kann. Schließlich werde ich diese Erkenntnisse zusammenführen, um den Informationsaustausch in einer chemotaktischen Bakterienpopulation zu modellieren, die eine Migrationswelle ausbildet.Mit diesem theoretischen Modell bin ich in der Lage, zu quantifizieren, wie die Information durch dieses System fließt, wie viel Energie aufgewendet wird, um die Wellenstruktur zu erhalten, wie viele Energie dissipiert wird und wie effizient dieser Prozess ist. Weiterhin werde ich einschätzen können, zu welchem Grad Vielfalt in der Bakterienpopulation dem Strukturerhalt der Gruppe dienlich oder hinderlich ist.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Dr. Thierry Emonet