Kan mikrosvømmere svømme gennem gel?

Forskere fra Tokyo Metropolitan University har undersøgt, hvordan mikrosvømmere, som bakterier eller sædceller, svømme gennem væsker med både faste og væskelignende egenskaber, f.eks., geler. De fandt ud af, at subtile ændringer i en svømmers træk, dens struktur, og hvordan den bevæger sig fremkalder en dramatisk anderledes reaktion fra væsken. De opdagede også, at ligheden i størrelse mellem væskens struktur og svømmeren førte til en bred vifte af interessant adfærd.

Svømning er en vanskelig forretning for mikroorganismen. En dukkert i poolen virker måske ikke så svær, men i mikroskopiske skalaer, eller ved lave Reynolds-tal, virkningen af ​​væskeviskositet pålægger svømning alvorlige begrænsninger. Endnu, naturen opnår det; mikrosvømmere spiller vitale roller i en lang række fænomener, herunder sædmotilitet og bakteriers aktive bevægelse.

For at forstå svømmere, tidligere undersøgelser har fokuseret på minimale modeller af svømmeradfærd i ensartede væsker. En særlig populær model er den såkaldte "tre-sfære mikrosvømmer, " en streng af tre mikroskopiske kugler, der er fastgjort til hinanden med arme; strengen kan fremdrives ved at pumpe armene frem og tilbage i en væske. Denne enkle sekvens overvinder begrænsningerne af "skallop"-sætningen i Purcell, som siger den bevægelse, der ser ens ud, når den spilles baglæns (tidsvendingssymmetri), som en kammusling, der åbner og lukker, kan ikke bruges til bevægelse.

Men hvad med væsken? I tilfælde af sæd, der rejser gennem livmoderhalsslim for at nå æg i pattedyrs reproduktion, slimet er et eksempel på blødt stof, hvor den indre struktur, i dette tilfælde lavet af sukkerarter og proteiner, reagerer på en kompleks måde på svømmerens bevægelse. For at løse dette problem, et team bestående af Kento Yasuda og lektor Shigeyuki Komura fra Tokyo Metropolitan University og Ryuichi Okamoto, en underviser ved Okayama University, undersøgt, hvordan mikrosvømmere med tre sfærer opfører sig i en struktureret væske, en polymergel, f.eks. gele.

Deres analyse afslørede, at der stort set var to mekanismer til at opnå bevægelse, en ved at bryde tidsvendingssymmetri, den anden ved at modulere amplituderne i slag på svømmerens to arme. Med sidstnævnte, det blev fundet, at svømning kunne opnås uden at bryde den tidligere symmetri, et smuthul i kammusling-sætningen. Gennem yderligere detaljeret analyse, det lykkedes dem at udlede udtryk for, hvordan svømmerens hastighed hang sammen med, hvordan en struktureret væske modstår en svømmers bevægelse. Interessant nok, de fandt ud af, at når svømmere var større end gelens maskestørrelse, der var større modstand med hurtigere slag, en lidt kontraintuitiv konklusion.

Dette arbejde markerer betydelige fremskridt med at bringe en populær minimal svømmermodel tættere på eksperimentelt relevante tilfælde, herunder slag af hår ("cilia") på celler og bakteriers motilitet. Det kan også se anvendelse på mere eksotiske scenarier, f.eks. robotternes bevægelse gennem affald efter jordskred. Undersøgelsen er blevet offentliggjort online i tidsskriftet Eurofysiske bogstaver .