Группа физиков во главе с Тайлером Шендруком, научным сотрудником из Рокфеллеровского университета, недавно обнаружила характерную математическую подпись, начертанную в этом распаде от порядка к хаосу. Их открытие, описанное 16 мая в Nature Communications, обеспечивает первую конкретную связь между турбулентностью в биологической системе и в более широком физическом мире, где она наиболее известна своими ударами самолетов и лодок.Жидкость, которая движется сама по себеВ физических системах турбулентность возникает, когда плавный поток жидкости или газа нарушается, вызывая непредсказуемые завихрения, подобные тем, которые возникают в клубах дыма, пенящемся прибое и полете с опрокидыванием желудка.
Как бы они ни старались, ученые до сих пор не могут точно предсказать, как дым, вода, воздух или любое другое вещество будет двигаться во время турбулентности.Что-то подобное происходит в определенных биологических системах. Недавно ученые обнаружили динамику, подобную турбулентности, возникающую из того, что они называют активными жидкостями, таких как плотная масса плавающих бактерий или совокупность белков, генерирующих движение, взвешенных в жидкости. В отличие от капли воды, эти активные жидкости движутся самостоятельно.
Таким образом, создаваемая ими биологическая турбулентность существенно отличается от физического явления, а взаимосвязь между этими двумя типами турбулентности остается спорной и плохо изученной.Недавнее открытие Шендрука связывает эти два понятия, показывая, что по мере возникновения и распространения турбулентность в массах плавающих бактерий следует той же схеме, что и в воздухе, воде или любой другой физической системе.Спуск в хаос
В исследовании, начатом с Джулии Йоманс из Оксфордского университета, Шендрук и его коллеги создали компьютерную симуляцию бактерий, которые с нарастающей силой плавают в замкнутом канале.В их моделях, как только бактериальная активность достигает определенной точки, возникает ритмический паттерн с чередованием вихрей по часовой стрелке и против часовой стрелки.
Но по мере того, как плавание становится еще более энергичным, модель начинает нарушаться. Турбулентность сначала возникает в виде затяжек, которые ненадолго нарушают картину, а затем исчезают.Когда Шендрук и его коллеги внимательно изучили, как распространяются затяжки, они обнаружили, что как только эти нарушения возникают, они непредсказуемо разветвляются, иногда умирают, а иногда продолжают снова разделяться.Эти ветви в конечном итоге образовывали дорожки, напоминающие движение горячей воды через кофейную гущу.
Подобно просачивающейся воде, потоки должны постоянно расщепляться, чтобы турбулентность распространялась и в конечном итоге настигала упорядоченные водовороты.Проникновение кофе — знакомая для физиков метафора, которая используется для описания поведения физической турбулентности при ее распространении. Выявив такую же прогрессию от порядка к беспорядку среди плавающих бактерий, Шендрук и его коллеги эффективно преодолели разрыв между турбулентностью активных жидкостей и тем, что наблюдается в других частях мира.
«Связав физические и биологические явления, это открытие расширяет семейство явлений, которые считаются турбулентностью», — говорит Шендрук. «Эта связь может помочь нам лучше понять саму турбулентность, а также динамику этих бактериальных потоков».