In de bacteriële wereld zoals in de grotere, schoonheid kan vluchtig zijn. Als je samen zwemt met precies de juiste hoeveelheid kracht, massa's bacteriële cellen produceren wervelende, hypnotische patronen. Te veel kracht, echter, en ze dalen af ​​in chaotische turbulentie.

Een team van natuurkundigen onder leiding van Rockefeller University-collega Tyler Shendruk ontdekte onlangs een veelzeggende wiskundige handtekening die is ingeschreven in die desintegratie van orde naar chaos. Hun ontdekking, beschreven 16 mei in Natuurcommunicatie , biedt de eerste concrete link tussen turbulentie in een biologisch systeem en binnen de grotere fysieke wereld, waar het vooral bekend staat om het slaan van vliegtuigen en boten.

Een vloeistof die zichzelf beweegt

In fysieke systemen, turbulentie ontstaat wanneer de vlotte stroom van een vloeistof of gas wordt verstoord, onvoorspelbare wervelingen produceren zoals die in golvende rook, schuimende branding, en een maag-dropping vlucht. Probeer zoals ze zouden kunnen, wetenschappers kunnen nog steeds niet precies voorspellen hoe rook, water, lucht, of een andere substantie zal bewegen tijdens turbulentie.

Binnen bepaalde biologische systemen lijkt iets soortgelijks te gebeuren. Onlangs, wetenschappers hebben een turbulentie-achtige dynamiek ontdekt die voortkomt uit wat zij actieve vloeistoffen noemen, zoals een dichte massa zwemmende bacteriën of een verzameling bewegingsgenererende eiwitten gesuspendeerd in vloeistof. In tegenstelling tot een druppel water, deze actieve vloeistoffen bewegen op eigen kracht. De biologische turbulentie die ze genereren verschilt daarom op een aantal significante manieren van het fysieke fenomeen, en de relatie tussen deze twee soorten turbulentie blijft controversieel en wordt slecht begrepen.

De recente ontdekking van Shendruk overbrugt de twee door te laten zien dat wanneer het naar voren komt en zich verspreidt, turbulentie volgt hetzelfde patroon in massa's zwemmende bacteriën als in lucht, water, of een ander fysiek systeem.

Afdalen in chaos

In onderzoek dat begon met Julia Yeomans aan de Universiteit van Oxford, Shendruk en zijn collega's creëerden een computersimulatie van bacteriën die met toenemende kracht zwemmen in een beperkt kanaal.

In hun modellen zodra de bacteriële activiteit een bepaald punt bereikt, er ontstaat een ritmisch patroon met afwisselend met de klok mee en tegen de klok in draaiende draaikolken. Maar naarmate het zwemmen nog krachtiger wordt, het patroon begint af te breken. Turbulentie ontstaat eerst als trekjes die het patroon kortstondig verstoren, sterf dan weg.

Toen Shendruk en zijn collega's nauwkeurig bekeken hoe de trekjes zich voortplantten, ze ontdekten dat zodra deze onregelmatigheden aan het licht kwamen, ze vertakken zich onvoorspelbaar, soms sterven, soms doorgaan om weer te splitsen.

Deze takken vormden uiteindelijk paden die leken op de beweging van heet water door koffiedik. Zoals het sijpelende water, de trekjes moeten voortdurend splitsen om de turbulentie te laten verspreiden en uiteindelijk de geordende wervelingen inhalen.

Koffiepercolatie is een bekende metafoor voor natuurkundigen, een die wordt gebruikt om te beschrijven hoe fysieke turbulentie zich gedraagt ​​terwijl deze zich verspreidt. Door dezelfde progressie van orde naar wanorde te identificeren bij de zwemmende bacteriën, Shendruk en zijn collega's overbrugden effectief de kloof tussen de turbulentie van actieve vloeistoffen en die elders in de wereld.

"Door de fysieke en biologische verschijnselen met elkaar te verbinden, deze ontdekking verbreedt de familie van verschijnselen die als turbulentie worden beschouwd, " zegt Shendruk. "Deze verbinding kan ons helpen om turbulentie zelf beter te begrijpen, evenals de dynamiek binnen deze bacteriestromen."