Virvlende sværme af bakterier giver indsigt i turbulens

I bakterieverdenen, som i den større, skønhed kan være flygtig. Når man svømmer sammen med den helt rigtige mængde kraft, masser af bakterieceller producerer hvirvlende, hypnotiske mønstre. For meget kraft, imidlertid, og de falder ned i kaotisk turbulens.

Et team af fysikere under ledelse af Rockefeller University -kollega Tyler Shendruk opdagede for nylig en sigende matematisk signatur indskrevet i denne opløsning fra orden til kaos. Deres opdagelse, beskrevet 16. maj i Naturkommunikation , giver den første konkrete forbindelse mellem turbulens i et biologisk system og inden for den større fysiske verden, hvor det er bedst kendt for at buffere fly og både.

En væske, der bevæger sig selv

I fysiske systemer, turbulens opstår, når en jævn strøm af en væske eller gas forstyrres, producere uforudsigelige hvirvler som dem i bølgende røg, skummende surf, og en mavefaldende flyvning. Prøv som de kan, forskere kan stadig ikke forudsige præcist, hvordan røg, vand, luft, eller ethvert andet stof vil bevæge sig rundt under turbulens.

Noget lignende ser ud til at ske inden for visse biologiske systemer. For nylig, forskere har opdaget en turbulenslignende dynamik, der stammer fra det, de kalder aktive væsker, såsom en tæt masse svømmebakterier eller en samling bevægelsesgenererende proteiner suspenderet i væske. I modsætning til en dråbe vand, disse aktive væsker bevæger sig på egen kraft. Den biologiske turbulens, de genererer, adskiller sig derfor på nogle væsentlige måder fra det fysiske fænomen, og forholdet mellem disse to typer turbulens er stadig kontroversielt og dårligt forstået.

Shendruks seneste opdagelse bygger bro mellem de to ved at vise, at når det dukker op og formerer sig, turbulens følger det samme mønster i masser af svømmebakterier som i luften, vand, eller ethvert andet fysisk system.

Ned i kaos

I forskning, der begyndte med Julia Yeomans ved University of Oxford, Shendruk og hans kolleger skabte en computersimulering af bakterier, der svømmer med stigende kraft inden for en begrænset kanal.

I deres modeller, når bakteriel aktivitet når et bestemt punkt, et rytmisk mønster dukker op med skiftevis med og mod uret hvirvler. Men efterhånden som svømningen bliver endnu mere kraftig, mønsteret begynder at bryde sammen. Turbulens dukker først op som pust, der kort forstyrrer mønsteret, dør derefter væk.

Da Shendruk og hans kolleger kiggede nærmere på, hvordan pustene forplantede sig, de fandt ud af, at når disse uregelmæssigheder dukkede op, de forgrenede sig uforudsigeligt, nogle gange dør, undertiden fortsætter med at splitte igen.

Disse grene dannede i sidste ende stier, der lignede bevægelsen af ​​varmt vand gennem kaffegrums. Ligesom det gennemtrængende vand, pustene skal hele tiden splitte for at turbulens kan sprede sig og til sidst overhale de ordnede hvirvler.

Kaffe perkolering er en velkendt metafor for fysikere, en, der bruges til at beskrive, hvordan fysisk turbulens opfører sig, når den breder sig. Ved at identificere den samme progression fra orden til uorden blandt svømmebakterierne, Shendruk og hans kolleger broede effektivt skillet mellem turbulensen af ​​aktive væsker og det, der ses andre steder i verden.

"Ved at forbinde de fysiske og biologiske fænomener, denne opdagelse udvider familien af ​​fænomener, der betragtes som turbulens, "Shendruk siger." Denne forbindelse kan hjælpe os med bedre at forstå selve turbulensen, såvel som dynamikken inden for disse bakteriestrømme. "