Influence of physical interactions on spatiotemporal patterns

扩散 螺旋(铁路) 物理 统计物理学 活性物质 图案形成 工作(物理) 经典力学 量子力学 数学 生物 数学分析 遗传学 细胞生物学
作者
Chengjie Luo,David Zwicker
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:108 (3)
标识
DOI:10.1103/physreve.108.034206
摘要

Spatiotemporal patterns are often modeled using reaction-diffusion equations, which combine complex reactions between constituents with ideal diffusive motion. Such descriptions neglect physical interactions between constituents, which might affect resulting patterns. To overcome this, we study how physical interactions affect cyclic dominant reactions, like the seminal rock-paper-scissors game, which exhibits spiral waves for ideal diffusion. Generalizing diffusion to incorporate physical interactions, we find that weak interactions change the length- and time scales of spiral waves, consistent with a mapping to the complex Ginzburg-Landau equation. In contrast, strong repulsive interactions typically generate oscillating lattices, and strong attraction leads to an interplay of phase separation and chemical oscillations, like droplets co-locating with cores of spiral waves. Our work suggests that physical interactions are relevant for forming spatiotemporal patterns in nature, and it might shed light on how biodiversity is maintained in ecological settings.
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