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    Los microbios nadadores se dirigen a sí mismos en un orden matemático

    Una hoja de diminutos organismos nadadores que se "empujan" a través de un fluido con, decir, flagelos crear fuerzas en el líquido que doblan la hoja en forma asimétrica, encogimiento de pliegues. Crédito:Saverio Spagnolie

    Liberar a miles de microorganismos para que naden en direcciones aleatorias en una piscina infinita de líquido puede no parecer una receta para ordenar, pero eventualmente el enjambre irá con su propio flujo.

    El modelo teórico dirigido por el matemático aplicado Saverio Spagnolie de la Universidad de Wisconsin-Madison muestra que las fuerzas generadas por diferentes tipos de pequeños nadadores los arrastrarán a todos de manera predecible.

    "Cuando cada partícula individual experimenta los flujos creados por todas las demás partículas, se sabe que naturalmente pueden surgir efectos realmente sorprendentes, "dice Spagnolie." Los flujos y orientaciones de los nadadores se vuelven coherentes en una escala de longitud mucho más larga que cualquier partícula individual, resultando en grandes bandadas de organismos que nadan en la misma dirección y, quizás sin querer, trabajando juntos."

    El movimiento de multitudes de cosas demasiado pequeñas para verlas fácilmente, como organismos unicelulares y filamentos dentro de las células individuales responsables de la división celular, es de vital importancia para la investigación en ciencia de materiales. ingeniería y bioquímica.

    Simulando las interacciones de grandes grupos de partículas, cada una de las cuales crea un flujo, Spagnolie y Arthur Evans de UW – Madison, El físico Christopher Miles de la Universidad de Michigan y el matemático Michael Shelley del Instituto Flatiron y la Universidad de Nueva York descubrieron que cuando las partículas se limitan a una hoja delgada y se les permite expandirse en un fluido vacío, el movimiento colectivo puede describirse mediante ecuaciones ya utilizadas en problemas clásicos completamente diferentes de la mecánica de fluidos. El grupo publicó sus hallazgos hoy en la revista. Cartas de revisión física .

    "Si estás calculando la trayectoria de 10, 000 o 100 o incluso 10 cosas rebotando, es difícil ver lo que está pasando. Puedes perder de vista la estructura profunda, "dice Spagnolie, cuyo trabajo es apoyado por la National Science Foundation. "Pero si hay suficientes partículas, pueden verse a sí mismos como un tipo de fluido activo, con ecuaciones que describen la velocidad y la densidad de un grupo local de partículas, al igual que pensamos en derivar ecuaciones para describir el flujo de agua o aire ".

    Cuando una simulación por computadora de una hoja de partículas que nadan (el amarillo marca su concentración más alta, líquido vacío azul) se empuja a la acción, las fuerzas y los flujos se doblan, dispersar y reunir a los organismos en lo que parecen bandadas coherentes. Crédito:Saverio Spagnolie

    Los investigadores desarrollaron las ecuaciones relevantes para las partículas que se mueven por diversos medios:nadadores que se empujan o se jalan activamente a través del fluido, y tipos (como los microtúbulos dentro de una célula) que se empujan o se jalan a sí mismos a través de medios moleculares sin apéndices activos como los flagelos, y los ponen en movimiento.

    "De esa perturbación hay una explosión de movimiento, "Dice Spagnolie." Y luego observamos cómo las diferentes fuerzas actúan sobre diferentes tipos de partículas ".

    Mientras una colonia apretada de nadadores tiradores, por ejemplo, se extiende en una línea perpendicular a la dirección en la que se dirigen, una colonia de empujadores se extiende rápidamente en la dirección del movimiento, y luego se dobla sobre sí mismo una y otra vez en una cascada de pliegues que se encogen.

    "Que estas personas puedan agruparse de forma pasiva debido a sus interacciones fluidas únicamente, y que esto da como resultado eventos y efectos a gran escala que no pueden lograr como partículas independientes, es relevante para muchas funciones biológicas, como la mezcla de nutrientes y la resistencia bacteriana a los antibióticos en enjambres de bacterias y biopelículas, "Dice Spagnolie.

    Los investigadores creen que su descripción teórica del rápido crecimiento de las láminas activas, que inesperadamente se asemejaba a ecuaciones bien conocidas como las que se usan para describir el movimiento de los fluidos atrapados entre las placas o dispersos a través del suelo, será útil para otros que trabajen en el punto donde los fluidos interactuar con motores en miniatura como bacterias y microtúbulos.

    "Esta es una de las primeras consideraciones teóricas de partículas concentradas que invaden un fluido a granel, ", Dice Spagnolie." La esperanza es que este sea un caso de experimentos que dirijan la teoría, ofreciendo predicciones que pueden ser validadas o invalidadas por investigadores que están al borde de llevar a cabo tal experimento ".

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