I bakterievärlden, som i den större, skönhet kan vara flyktig. När du simmar tillsammans med lagom kraft, massor av bakterieceller producerar virvlande, hypnotiska mönster. För mycket kraft, dock, och de går ner i kaotisk turbulens.
Ett team av fysiker under ledning av Rockefelleruniversitetet Tyler Shendruk upptäckte nyligen en talande matematisk signatur inskriven i den upplösningen från ordning till kaos. Deras upptäckt, beskrivs den 16 maj Naturkommunikation , ger den första konkreta länken mellan turbulens i ett biologiskt system och inom den större fysiska världen, där det är mest känt för buffering av flygplan och båtar.
En vätska som rör sig själv
I fysiska system, turbulens uppstår när det smidiga flödet av en vätska eller gas störs, producera oförutsägbara virvlar som de som böljar rök, skummande surf, och en magsäckande flygning. Försök som de kan, forskare kan fortfarande inte förutse exakt hur rök, vatten, luft, eller någon annan substans kommer att röra sig under turbulens.
Något liknande verkar hända inom vissa biologiska system. Nyligen, forskare har upptäckt en turbulensliknande dynamik som kommer från vad de kallar aktiva vätskor, såsom en tät massa simmande bakterier eller en samling rörelsegenererande proteiner suspenderade i vätska. Till skillnad från en droppe vatten, dessa aktiva vätskor rör sig på egen kraft. Den biologiska turbulensen som de genererar skiljer sig därför på några väsentliga sätt från det fysiska fenomenet, och förhållandet mellan dessa två typer av turbulens är fortfarande kontroversiellt och dåligt förstått.
Shendruks senaste upptäckt överbryggar de två genom att visa att när det framträder och sprider sig, turbulens följer samma mönster i massor av simmande bakterier som i luften, vatten, eller något annat fysiskt system.
Nedstigning i kaos
I forskning som började med Julia Yeomans vid University of Oxford, Shendruk och hans kollegor skapade en datasimulering av bakterier som simmar med ökande kraft inom en begränsad kanal.
I deras modeller, när bakteriell aktivitet når en viss punkt, ett rytmiskt mönster framträder med växlande medurs och motsols virvlar. Men när simningen blir ännu kraftigare, mönstret börjar gå sönder. Turbulens framträder först som puffar som kortfattat stör mönstret, dör sedan bort.
När Shendruk och hans kollegor tittade noga på hur puffarna förökade sig, de fann att när dessa oegentligheter uppstod, de förgrenade sig oförutsägbart, ibland dö, ibland fortsätter att dela igen.
Dessa grenar bildade slutligen stigar som liknade rörelsen av varmt vatten genom kaffesumpar. Liksom det rinnande vattnet, puffarna måste ständigt splittras för att turbulensen ska spridas och så småningom komma över de ordnade virvlarna.
Kaffe perkolering är en välbekant metafor för fysiker, en som används för att beskriva hur fysisk turbulens beter sig när den sprider sig. Genom att identifiera samma utveckling från ordning till oordning bland simmande bakterier, Shendruk och hans kollegor överbryggade effektivt skillnaden mellan turbulensen av aktiva vätskor och den som ses på andra håll i världen.
"Genom att länka de fysiska och biologiska fenomenen, denna upptäckt breddar familjen av fenomen som anses vara turbulens, "Säger Shendruk." Den här kopplingen kan hjälpa oss att bättre förstå turbulensen själv, såväl som dynamiken i dessa bakterieflöden. "
