Modellering af mikrosvømmeres adfærd og dynamik

Forståelsen af ​​klyngedannelse og bevægelse af mikrosvømmere har en række anvendelser fra menneskers sundhed til at tackle økologiske problemer.

Mikrosvømmere er biologiske enheder, der spænder fra sæd til fytoplankton til bakterier, hvilket betyder, at deres undersøgelse kan have konsekvenser for så forskellige videnskabsområder som menneskers sundhed og økologi.

En ny artikel offentliggjort i European Physical Journal E ser på mikrosvømmernes dynamik under tyngdekraften. Den er forfattet af et hold fra Institut for Teoretisk Fysik ved Berlins Teknologiske Institut:Felix Rühle, Arne W. Zantop og Holger Stark.

"Min vejleder professor Holger Stark og vores team har længe været interesseret i mikrosvømmeres kollektive adfærd," siger Rühle. "Inden for dette felt er mønstre dannet af biologiske organismer, såsom alger og bakterier, kendt som biokonvektion."

Som et eksempel peger Rühle på algepletter i havet, som kan være et økologisk problem.

Holdet fokuserer på squirmers  en model for en sfærisk mikrosvømmer, der svømmer i Stokes flow — for at identificere forskellige dynamiske tilstande for sådanne systemer.

"Til dette projekt var vi interesserede i en specifik form for mønsterdannelse, der sker under tyngdekraften - svømmere reorienterer hinanden medieret af det strømningsfelt, de skaber i væsken," fortsætter Rühle. "Men på samme tid har de en tendens til at pege opad — antiparallelt med tyngdekraften. Bevægelsen, der ledes af en kombination af disse effekter, kaldes gyrotaxis, og vi viser, hvordan og hvornår klynger dannes under disse forhold i numeriske simuleringer. "

Mens biokonvektion kan have mange mulige årsager, såsom diffusion af ilt, adgang til sollys eller turbulente strømme, forklarer Rühle, at holdets simuleringer viser, at to "ingredienser" er tilstrækkelige til at klynger kan dannes. Disse er tyngdekraft og hydrodynamiske vekselvirkninger med styrken af ​​det reorienterende tyngdemoment — som opstår på grund af, at massecentret er under det geometriske centrum ,  kontrollerer størrelsen af ​​klyngerne.

"Denne indsigt fremmer vores forståelse af biologiske mønstre generelt," slutter Rühle. + Udforsk yderligere

'Bundtunge squirmers' antager karakteristisk gruppeadfærd