Att befria tusentals mikroorganismer för att simma i slumpmässiga riktningar i en oändlig pool av vätska låter kanske inte som ett recept på ordning, men så småningom kommer svärmen att gå med sitt eget flöde.

Teoretisk modellering ledd av University of Wisconsin–Madison tillämpade matematiker Saverio Spagnolie visar att krafterna som genereras av olika typer av små simmare kommer att sopa upp dem alla på förutsägbara sätt.

"När varje enskild partikel upplever flödena som skapas av alla andra partiklar, det är känt att riktigt överraskande effekter kan uppstå naturligt, " säger Spagnolie. "Simmarnas flöden och orienteringar blir koherenta på en längdskala som är mycket längre än någon enskild partikel, vilket resulterar i att enorma flockar av organismer simmar åt samma håll och, kanske oavsiktligt, arbetar tillsammans."

Förflyttningen av mängder av saker som är för små för att lätt kunna ses – som encelliga organismer och filament inuti enskilda celler som är ansvariga för celldelning – är avgörande för forskning inom materialvetenskap, teknik och biokemi.

Genom att simulera växelverkan mellan stora grupper av partiklar som var och en skapar ett flöde, Spagnolie och Arthur Evans från UW–Madison, University of Michigan fysiker Christopher Miles och matematiker Michael Shelley från Flatiron Institute och New York University fann att när partiklarna är begränsade till ett tunt ark och får expandera till en tom vätska, den kollektiva rörelsen kan beskrivas med ekvationer som redan används i helt olika klassiska problem inom strömningsmekaniken. Gruppen publicerade sina resultat i dag i tidskriften Fysiska granskningsbrev .

"Om du löser banan av 10, 000 eller 100 eller till och med 10 saker som studsar runt, det är svårt att se vad som händer. Du kan tappa djup struktur ur sikte, säger Spagnolie, vars arbete stöds av National Science Foundation. "Men om det finns tillräckligt med partiklar, de kan ses själva som en typ av aktiv vätska, med ekvationer som beskriver hastigheten och densiteten hos en lokal grupp av partiklar - precis som hur vi tänker på att härleda ekvationer för att beskriva strömmande vatten eller luft."

Forskarna utarbetade de relevanta ekvationerna för partiklar som rör sig på olika sätt - simmare som aktivt trycker eller drar sig genom vätska, och typer (som mikrotubuli inuti en cell) som trycker eller drar sig själva genom molekylära medel utan aktiva bihang som flageller - och satte dem i rörelse.

"Från den störningen kommer den här explosionen av rörelse, " säger Spagnolie. "Och sedan ser vi hur de olika krafterna utspelar sig på olika typer av partiklar."

Medan en tät koloni av drande simmare, till exempel, sträcker sig ut i en linje vinkelrät mot den riktning de är på väg, en koloni av påskjutare sträcker sig snabbt i rörelseriktningen, och sedan böjer sig på sig själv om och om igen i en kaskad av krympande veck.

"Att dessa individer kan gruppera sig passivt enbart på grund av deras flytande interaktioner, och att detta resulterar i storskaliga händelser och effekter som de inte kan uppnå som oberoende partiklar, är relevant för många biologiska funktioner – som näringsblandning och bakteriell resistens mot antibiotika i bakteriesvärmar och biofilmer, " säger Spagnolie.

Forskarna tror att deras teoretiska beskrivning av den snabba tillväxten av aktiva ark – som oväntat liknade välkända ekvationer som de som används för att beskriva rörelsen av vätskor som fångas mellan plattor eller sprids genom marken – kommer att vara till nytta för andra som arbetar på den punkt där vätskor interagerar med miniatyrflyttare som bakterier och mikrotubuli.

"Detta är en av de första teoretiska övervägandena av koncentrerade partiklar som invaderar en bulkvätska, " säger Spagnolie. "Förhoppningen är att det här kommer att vara ett teoriledande experiment, erbjuda förutsägelser som kan valideras eller ogiltigförklaras av forskare som är mycket på kanten att genomföra ett sådant experiment."