Het begrip van de clustering en beweging van microzwemmers heeft een scala aan toepassingen, van de menselijke gezondheid tot het aanpakken van ecologische problemen.

Microzwemmers zijn biologische entiteiten die variëren van sperma tot fytoplankton tot bacteriën, wat betekent dat hun studie implicaties kan hebben voor wetenschapsgebieden die zo divers zijn als de menselijke gezondheid en ecologie.

Een nieuw artikel gepubliceerd in het European Physical Journal E kijkt naar de dynamiek van microzwemmers onder zwaartekracht. Het is geschreven door een team van het Institute for Theoretical Physics van het Berlin Institute of Technology:Felix Rühle, Arne W. Zantop en Holger Stark.

"Mijn begeleider professor Holger Stark en ons team zijn al lang geïnteresseerd in het collectieve gedrag van microzwemmers", zegt Rühle. "Binnen dit veld worden patronen gevormd door biologische organismen, zoals algen en bacteriën, bioconvectie genoemd."

Rühle wijst bijvoorbeeld op algenplekken in de oceaan die een ecologisch probleem kunnen zijn.

Het team richt zich op squirmers - een model voor een bolvormige microzwemmer die in de Stokes-stroom zwemt - om verschillende dynamische toestanden voor dergelijke systemen te identificeren.

"Voor dit project waren we geïnteresseerd in een specifiek soort patroonvorming die plaatsvindt onder zwaartekracht:zwemmers heroriënteren elkaar, gemedieerd door het stromingsveld dat ze in de vloeistof creëren", vervolgt Rühle. "Maar tegelijkertijd hebben ze de neiging om naar boven te wijzen - anti-parallel aan de zwaartekracht. De beweging die door een combinatie van deze effecten wordt geleid, wordt gyrotaxis genoemd, en we laten in numerieke simulaties zien hoe en wanneer clusters worden gevormd onder deze omstandigheden. "

Hoewel bioconvectie vele mogelijke oorzaken kan hebben, zoals de diffusie van zuurstof, toegang tot zonlicht of turbulente stromingen, legt Rühle uit dat de simulaties van het team aantonen dat twee "ingrediënten" voldoende zijn om clusters te vormen. Dit zijn zwaartekracht- en hydrodynamische interacties met de sterkte van het heroriënterende zwaartekrachtkoppel — dat ontstaat doordat het massamiddelpunt zich onder het geometrische middelpunt bevindt , het regelen van de grootte van de clusters.

"Dit inzicht bevordert ons begrip van biologische patronen in het algemeen", besluit Rühle. + Verder verkennen

'Bottom-heavy squirmers' nemen kenmerkend groepsgedrag aan