Результаты сообщаются в письмах с физическим обзором.
Согласно новому исследованию ученых из Университета Брауна и Университета Висконсина, спираль под большим углом помогает микроорганизмам, таким как сперматозоиды и бактерии, плавать через слизь и другие вязкоупругие жидкости. Полученные данные помогают прояснить некоторые, казалось бы, противоречивые выводы о том, как микроорганизмы плавают с помощью жгутиков, спиральных придатков, которые обеспечивают движение при вращении.
Какими бы простыми ни были одноклеточные существа, понимание того, как они передвигаются, требует сложной науки.
По словам Томаса Пауэрса, профессора инженерии и физики Брауна и одного из авторов нового исследования, физика спирального плавания оказалась «действительно интересной проблемой гидродинамики».
В масштабе одной ячейки жидкости становятся намного более вязкими, чем в более крупных масштабах. Бактерия, плавающая в воде, «будет похожа на нашу попытку плавать в смоле», — сказал Пауэрс.
Это означает, что плавание в микронном масштабе — это совершенно другое занятие, чем для рыб или людей. Как бы парадоксально это ни звучало, крошечные спиральные пловцы полагаются исключительно на сопротивление, чтобы двигаться вперед. Поворачивающийся жгутик создает кажущуюся волну, которая распространяется из-за спины существа.
Сила сопротивления этой волне толкает существо в противоположном направлении.
В последние годы была проведена некоторая теоретическая работа, направленная на полное понимание физики этого вида плавания, большая часть из которых была сделана путем моделирования поведения спиральных пловцов в воде.
Но бактерии и сперма проводят много времени в жидкостях, таких как слизь и цервикальная жидкость — жидкостях, которые не только более вязкие, чем вода, но и эластичны, поскольку они полны упругих полимеров. Поскольку вращающаяся спираль может давить на полимеры, возможно, вязкоупругая жидкость облегчает плавание.
"Это довольно простой вопрос", — сказал Пауэрс. "Заставляет ли вязкоупругость микроорганизмы плавать быстрее или медленнее??"Однако найти правильный ответ было не так просто.
Ранние теоретические работы предполагали, что вязкоупругие жидкости должны замедлять спиральные пловцы.
Но некоторые экспериментальные работы Пауэрса, докторанта Бин Лю и Кеннета Брейера, профессора инженерии в Брауновской инженерной школе, показали, что вязкоупругие жидкости на самом деле должны помогать спиралевидным пловцам двигаться быстрее.
Это последнее исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, помогает преодолеть этот очевидный пробел.
Пауэрс и Лю работали с Саверио Спаньоли, профессором математики в Университете Висконсина и бывшим докторантом в Брауне. Используя то, что Пауэрс описал как «некоторые умные численные методы и много тяжелой работы», Спаньоли смог с помощью вычислений показать, что угол наклона спирали — степень, в которой спираль скручена, — имеет значение в том, насколько хорошо она работает в вязкоупругие жидкости. При малом угле наклона (представьте себе растянутый телефонный шнур) спирали в вязкоупругих жидкостях движутся медленнее. Когда угол тангажа увеличивается, производительность улучшается.
Результаты согласовывают экспериментальную и более раннюю теоретическую работу. Большая часть теоретических работ, которые предполагали, что большая вязкость вызовет более медленное плавание, предполагала небольшой угол наклона ради сохранения управляемости вычислений. Экспериментальная работа, которая показала плавание с вязкостной скоростью, включала более высокие углы тангажа. Показав численно, что более высокий угол тангажа увеличивает скорость, исследователи смогли объяснить это очевидное несоответствие. «Эта работа показывает, как можно связать предыдущую работу», — сказал Пауэрс.
По словам Пауэрса, хотя эта работа была чрезвычайно ценной для связи теории и эксперимента, предстоит еще много работы над этой проблемой. «Мы действительно не понимаем результат, потому что очень сложно визуализировать трехмерную конфигурацию всех задействованных сил. На самом деле это очень неприятно. Мы все еще пытаемся получить интуитивную картину."
На данный момент это все еще плавание вверх по течению.
В конечном итоге, говорят исследователи, лучшее понимание того, как передвигаются крошечные пловцы, может помочь в исследованиях бактериальной инфекции и фертильности. Это также может помочь ученым разработать искусственных пловцов, которые могут доставлять лекарства внутрь тела.
