Svømmemikroer styrer sig selv ind i matematisk rækkefølge

At frigive tusindvis af mikroorganismer til at svømme i tilfældige retninger i en uendelig væskepøl lyder måske ikke som en opskrift på ordre, men til sidst vil sværmen gå med sit eget flow.

Teoretisk modellering ledet af University of Wisconsin - Madison anvendte matematiker Saverio Spagnolie viser, at de kræfter, der genereres af forskellige slags små svømmere, vil feje dem alle sammen på forudsigelige måder.

"Når hver enkelt partikel oplever strømmen skabt af alle de andre partikler, det vides, at virkeligt overraskende effekter naturligt kan dukke op, "siger Spagnolie." Svømmernes strømninger og orienteringer bliver sammenhængende på en længdeskala meget længere end nogen individuel partikel, resulterer i enorme flokke af organismer, der svømmer i samme retning og, måske utilsigtet, arbejde sammen."

Bevægelsen af ​​skarer af ting, der er for små til let at se-som encellede organismer og filamenter inde i individuelle celler, der er ansvarlige for celledeling-er kritisk vigtig for forskning inden for materialevidenskab, teknik og biokemi.

Ved at simulere interaktionerne mellem store grupper af partikler, som hver især skaber et flow, Spagnolie og Arthur Evans fra UW - Madison, Fysikeren Christopher Miles fra University of Michigan og matematiker Michael Shelley fra Flatiron Institute og New York University fandt ud af, at når partiklerne er begrænset til et tyndt ark og får lov til at ekspandere til et tomt væske, den kollektive bevægelse kan beskrives ved ligninger, der allerede er brugt i helt andre klassiske problemer inden for væskemekanik. Gruppen offentliggjorde sine resultater i dag i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve .

"Hvis du løser for banen 10, 000 eller 100 eller endda 10 ting, der hopper rundt, det er svært at se, hvad der foregår. Du kan miste den dybe struktur af syne, "siger Spagnolie, hvis arbejde støttes af National Science Foundation. "Men hvis der er nok partikler, de kan ses som en slags aktiv væske, med ligninger, der beskriver hastigheden og densiteten af ​​en lokal gruppe af partikler - ligesom hvordan vi tænker på at udlede ligninger for at beskrive strømmende vand eller luft. "

Forskerne udarbejdede de relevante ligninger for partikler, der bevæger sig på forskellige måder - svømmere, der aktivt skubber eller trækker sig selv gennem væske, og typer (som mikrotubuli inde i en celle), der skubber eller trækker sig selv gennem molekylære midler uden aktive vedhæng som flagella - og kører dem i bevægelse.

"Fra den forstyrrelse er der denne eksplosion af bevægelse, "Spagnolie siger." Og så ser vi, hvordan de forskellige kræfter spiller ud på forskellige typer partikler. "

Mens en stram koloni af trækkende svømmere, for eksempel, strækker sig ud i en linje vinkelret på den retning, de er på vej mod, en koloni af pushere strækker sig hurtigt i bevægelsesretningen, og bøjer sig derefter igen og igen i en kaskade af krympende folder.

"At disse personer kan grupperes passivt på grund af deres væskeinteraktioner alene, og at dette resulterer i store begivenheder og effekter, de ikke kan opnå som uafhængige partikler, er relevant for mange biologiske funktioner - som blanding af næringsstoffer og bakteriel resistens over for antibiotika i bakteriesværme og biofilm, "Siger Spagnolie.

Forskerne mener, at deres teoretiske beskrivelse af den hurtige vækst af aktive ark-der uventet lignede velkendte ligninger som dem, der bruges til at beskrive bevægelsen af ​​væsker, der er fanget mellem plader eller dispergeret gennem jorden-vil være til nytte for andre, der arbejder på det punkt, hvor væsker interagere med miniature movers som bakterier og mikrotubuli.

"Dette er en af ​​de første teoretiske overvejelser om koncentrerede partikler, der invaderer en bulkvæske, "Spagnolie siger." Håbet er, at dette vil være et teoriledende eksperiment, tilbyde forudsigelser, der kan valideres eller ugyldige af forskere, der er meget på kanten af ​​at gennemføre et sådant eksperiment. "