Fisica Statistica di Sistemi Complessi e Biologici

Fisica Statistica di Sistemi Complessi e Biologici

Staff

Marco Baiesi, Fulvio Baldovin, Amos Maritan, Enzo Orlandini, Flavio Seno Attilio Stella, Samir Suweis Antonio Trovato.

Borsisti

Assegnisti: Anna Tovo, Daniel Maria Busiello, Stefano Lubini
Dottorandi: Ilenia Apicella, Loren Kocillari, Gianluca Teza, Davide Colì, Leonardo Pacciani.

Attività di Ricerca

L’attività di ricerca teorica del nostro gruppo copre aree scientifiche che vanno dalla meccanica statistica alla fisica dei sistemi complessi. Ci occupiamo di temi interdisciplinari quali la fisica dei biopolimeri e delle proteine, le dinamiche dei cristalli liquidi, i moti collettivi in sistemi di particelle auto-propellenti, fisica dei sistemi ecologici, fisica biologica ed econofisica. Il nostro approccio a questi argomenti include attività di data mining, analisi dati, analisi statistica, modellizzazione computazionale e analitica.
Una panoramica più ampia e dettagliata dei temi di ricerca del nostro gruppo è data di seguito.


Emergenza di pattern in sistemi complessi

(Maritan,Suweis)
L'universalità delle leggi di scala è una delle caratteristiche più attraenti della fisica statistica perchè un'ampia classe di modelli può essere classificata unicamente in termini dei sui comportamenti macroscopici le cui caratteristiche dipendono solo da pochi dettagli, come la dimensione del sistema e le simmetrie del problema (ed eventualmente il modo in cui l'interazione decresce), ma non da dettagli più microscopici. Le leggi di scala sono state osservate e descritte in molti fenomeni fisici, chimici, biologici, ecologici, economici e sociologici. I nostri interessi di ricerca includono i sistemi biologici ed ecologici, la fisica statistica delle particelle interagenti, le reti di trasporto ottimali e la dinamica dei network complessi con applicazioni alle scienze ambientali e alla sostenibilita' ecologica. Per ulteriori informazioni visitare www.pd.infn.it/~maritan/


Organizzazione di Ecosistemi e dinamica dell'evoluzione

(Maritan, Suweis)
Comprendere le origini, il mantenimento e la perdita di biodiversità nei sistemi ecologici è uno degli obiettivi di più alta priorità scientifica data l'elevata e allarmante perdita di biodiversità nel globo. Le comunità ecologiche mostrano diffusi pattern ed interrelazioni tra taglia, abbondanza della specie e disponibilità di risorse a cui essa può attingere. La meccanica statistica di non equilibrio è la candidata naturale per provare a sviluppare una teoria unificata e in grado di descrivere la distribuzione delle taglie delle specie, il loro utilizzo di energia e la relativa distribuzione spaziale. Il nostro approccio è quello di utilizzare principi variazionali o di ottimizzazione, che sono stati di grande successo in fisica, per provare a comprendere e descrivere pattern spazio-temporali osservati in sistemi naturali (come ad esempio l'architettura delle reti ecologiche, la relazione specie-area negli ecosistemi), in modo tale da poter essere anche capaci di predire pattern non ancora scoperti. Lì dov' è possibile, a fianco dell'indagine teorica e dei risultati modellistici, si cerca sempre un paragone della teoria con l'analisi di dati empirici. Per ulteriori informazioni visitare www.pd.infn.it/~maritan/


Robustezza, Adattabilità e Transizioni Critiche nei Sistemi Viventi

(Suweis, Maritan)
La comprensione dei sistemi biologici ha bisogno di più di una semplice generalizzazione dei metodi standard della meccanica statistica. In quest'ultima, è fondamentale determinare il parametro d'ordine, che caratterizza le varie fasi del sistema. Questo è un passo cruciale per ottenere gli ingredienti chiave necessari per formulare un quadro essenziale ma completo del comportamento macroscopico del sistema. Tuttavia, quale sia il parametro d'ordine per un certo sistema vivente (da genomi, a società umane) è un problema difficile e ancora non ben definito. Tuttavia, v'è una crescente evidenza che la caratteristica fondamentale di sistemi viventi è nell'architettura delle loro reti di interazione. La nostra ricerca si focalizza su tre punti: 1) Lo sviluppo di un quadro teorico unificante in grado di fornire una spiegazione parsimoniosa e generale del comportamento macroscopico di questi sistemi; 2) Indagare le risposte della rete alle perturbazioni locali o globali; 3) Progettare nuove architetture di rete volte a massimizzare diverse funzioni obiettivo in termini di adattabilità o robustezza del sistema.


Dinamica di polimeri

(Baiesi, Baldovin, Orlandini, Stella)
La traslocazione di un biopolimero attraverso il poro di una membrana è un processo di base attraverso il quale le cellule viventi scambiano informazione ed energia. Un altro esempio di dinamica di biopolimeri è lo srotolamento della doppia catena del DNA nel processo di denaturazione. Ci occupiamo di sviluppare modelli minimali che descrivono le caratteristiche salienti di questi tipi di dinamiche.


Transizioni conformazionali nei polimeri

(Baiesi, Orlandini, Seno, Stella, Trovato)
I polimeri in soluzione possono subire trasformazioni conformazionali guidate dalle proprietà dell'ambiente circostante, quali la chimica del solvente, la temperatura, la presenza di vincoli e forze esterne. Una delle transizioni più note e studiate è il collasso "Theta" da fase estesa a globulare dei polimeri, causato per esempio da condizioni progressivamente sfavorevoli del solvente. Altri esempi di transizioni conformazionali sono l'adsorbimento di polimeri su superfici attrattive e la separazione (denaturazione) termica o meccanica della doppia elica del DNA. Noi studiamo analiticamente e numericamente le proprietà termodinamiche di queste transizioni, basandoci su modelli di polimeri a grana grossa, metodi di simulazione stocastica e approcci analitici per il calcolo esatto di funzioni generatrici e di partizione.


Proprietà topologiche nei polimeri

(Baiesi, Baldovin, Orlandini, Stella)
L'intricatezza topologica nei polimeri, descritta in termini di nodi e anelli agganciati, è un argomento di ricerca che coinvolge diverse discipline scientifiche quali la matematica, la chimica, la biologia e la fisica. Troviamo interessante comprendere come la topologia dei polimeri dipenda da fattori quali la loro rigidità, il loro confinamento o la qualità del solvente. I polimeri possono assumere innumerevoli configurazioni che fluttuano nel tempo e un approccio statistico a questo problema è cruciale. Negli ultimi anni il nostro gruppo ha sviluppato un metodo per individuare le regioni annodate nei polimeri. Questo permette di misurare la taglia dei nodi in funzione dei parametri fisici e ambientali. Risulta che i nodi sono ben localizzati nei polimeri estesi mentre si espandono nei polimeri compatti o confinati, come nel caso del DNA virale nei capsidi. Stiamo elaborando tecniche per caratterizzare l'aggrovigliamento di due o più catene.


Proprietà reologiche e dinamiche dei cristalli liquidi passivi e attivi

(Orlandini)
I cristalli liquidi sono fluidi formati tipicamente da lunghe e sottili molecole che, sotto certe condizioni ambientali, tendono ad allinearsi per formare stati ordinati di varia complessità come la fase nematica, chirale e smettica. Sono importanti esempi di fluidi strutturati che rispondeno a sollecitazioni esterne sia come materiali elastici sia come fluidi viscosi. I cristalli liquidi sono anche importanti dal punto di vista applicativo per il loro ben noto utilizzo nei dispositivi digitali, il cui funzionamento si basa sulla risposta orientazionale del sistema (dinamica di switching) rispetto all'accensione/spegnimento di campi elettrici esterni. Inoltre, se opportunamente modificati con termini non riconducibili ad un energia libera, sono una buona descrizione macroscopica di fluidi attivi come le soluzioni di actina in presenza di motori molecolari. Ci occupiamo dello studio, tramite simulazioni numeriche (metodi Lattice Boltzmann) e teorie di campo medio, delle proprietà reologiche e dinamiche di questi sistemi quando soggetti a campi elettrici o di velocità esterni o al variare dell'attività.


Moti collettivi in sistemi di particelle auto-propellenti.

(Baldovin, Orlandini)
Le sospensioni batteriche e gli stormi di uccelli sono esempi di sistemi a molti corpi auto-propellenti e interagenti che presentano fenomeni di moto collettivo spontaneo. Se trascuriamo i dettagli che rendono diversi gli individui di tali sistemi, si può immaginare ogni singolo individuo come una particella che attinge energia o dell'ambiente circostante o da un suo deposito interno e la brucia per muoversi. Questo processo individuale mantiene il sistema di individui fuori dall'equilibrio termodinamico rendendoli estremamente diversi dalle loro versioni "passive". In questo contesto, la nostra ricerca si incentra sull'ideazione di modelli di particelle auto-propellenti semplificati e sullo studio delle loro proprietà meccanico-statistiche, inclusi i fenomeni di segregazione che risultano da una competizione tra confinamento spaziale, interazioni efficaci e meccanismi di comunicazione tra individui. Utilizziamo simulazioni stocastiche e tecniche analitiche (equazioni tipo Smoluchowski). I modelli considerati descrivono i singoli individui o come particelle Browniane asimmetriche con forza interna direzionale o come oggetti puntiformi con una certa posizione, direzione di moto e velocità costante. Questa attività ha la sua controparte sperimentale condotta dal laboratorio di Superfici ed Interfacce (LaFSI:http://lafsi.fisica.unipd.it/).


Sistemi di comunicazione fra batteri

(Seno , Trovato)
Il Quorum Sensing (QS) è un complicato sistema di stimoli e risposte correlato alla densità di una popolazione. Questo meccanismo permette ai batteri di esprimere specifici geni solamente in situazioni in cui la loro densità è sufficientemente elevata, in maniera da trarre il massimo beneficio dal processo innescato. Esempi sono la formazione di biofilm, la virulenza e lo sviluppo di resistenza agli antibiotici. Analogamente è stato osservato che anche altri insetti adoperano un simile sistema di comunicazione per decidere dove costruire un nuovo nido. Il quorum sensing funziona come processo decisionale in ogni sistema decentralizzato le cui componenti possano "arguire" il numero di altri individui formanti la comunità e che possiedano un sistema comune di risposta che segnali il raggiungimento di una determinata soglia. La comprensione dei meccanismi alla base del QS può portare allo sviluppo di nuovi farmaci che permettano di debellare batteri resistenti ai comuni antibiotici. Stiamo sviluppando modelli matematici per studiare il fenomeno e ci stiamo concentrando sul processo dinamico di attivazione e sulla competizione fra densità cellulare ed estensione della colonia batterica.


Proteine e bio-polimeri

(Maritan, Seno, Trovato)
I biopolimeri in generale e le proteine in particolare sono essenziali per gli organismi viventi. Il problema di determinare l'ensemble nativo di una proteina è estremamente complesso, dato l'elevato numero dei gradi di libertà del sistema. Conformazioni proteiche non native sono anche di estremo interesse, poiché possono innescare l'aggregazione patologica di proteine, causa di diverse malattie degenerative. Il nostro approccio meccanico-statistico è fondamentale per comprendere gli aspetti unificanti che emergono nella fisica delle proteine e la loro relazione con i polimeri oridinari. Alcuni argomenti specifici includono la comprensione dell'origine delle strutture native delle proteine per mezzo di considerazioni basate su geometria e simmetria, lo sviluppo di potenziali statistici per valutare la qualità di strutture putative di proteine, lo sviluppo di algoritmi, basati sia sulla sequenza che sulla struttura, per predire diverse caratteristiche delle proteine, lo studio dei meccanismi principali che governano il ripiegamento e l'aggregazione di proteine.


Meccanica Statistica fuori equilibrio

(Baiesi, Maritan, Baldovin, Stella)
Per i sistemi fuori equilibrio, una teoria generale è in fase di costruzione. Parliamo di sistemi che mantengono flussi, per esempio di calore, che sono in fase di rilassamento e che non sono basati sulle usuali leggi fisiche dei sistemi che raggiungono l'equilibrio termodinamico. Spesso si tratta di sistemi di piccole dimensioni (micrometri), in cui le fluttuazioni sono importanti. Ci occupiamo di questi sistemi, per esempio generalizzando i concetti di equipartizione dell'energia ed il teorema del viriale, o sviluppando una teoria della risposta lineare. Possiamo così discutere concetti come il calore specifico o la mobilità di particelle in sistemi soggetti a forzanti.


Econofisica e Complessità Economica

(Baldovin, Stella)
La dinamica dei mercati mostra robusti fatti stilizzati, la cui modellizzazione da lungo tempo stimola l'uso di metodi della fisica statistica. Lo scaling e metodi ispirati dal gruppo di rinormalizzazione vengono da noi usati come ingredienti chiave per questa modellizzazione, per il prezzaggio di strumenti derivati, e per la definizione operativa di grandezze come il tempo in finanza. Un altro campo di interesse e' quello dei processi di crescita che si realizzano in un contesto di complessita' economica globale. Le reti di prodotti e di paesi produttori giocano qui un ruolo fondamentale in descrizioni basate su equazioni differenziali stocastiche


Fisica Statistica & Apprendimento Automatico

(Maritan, Orlandini, Baiesi e Suweis)
Oggigiorno vi è un crescente interesse per la risoluzione di problemi complessi tramite tecniche di apprendimento automatico, noto come machine learning. Questo ci sta portando a valutare le nuove idee e gli strumenti della comunità che studia il machine learning, con l'obiettivo di applicare questi metodi in contesti come i sistemi complessi, le reti neurali o le fasi polimeriche. Uno degli obiettivi è capire come funziona l'apprendimento automatico nel distinguere le fasi polimeriche, epigenetiche o cerebrali. Un piano generale consiste nell'applicare tecniche di machine learning per inferire schemi emergenti in complessi sistemi ecologici, biologici, sociali e geofisici. Infine vorremmo capire se e in che senso le reti neurali sono critiche e come le loro prestazioni possono essere comprese attraverso la teoria dell'informazione e la fisica statistica.