Nel mondo batterico, come in quello più grande, la bellezza può essere fugace. Quando si nuota insieme con la giusta quantità di vigore, masse di cellule batteriche producono vortici, schemi ipnotici. Troppo vigore, però, e scendono nella turbolenza caotica.

Un team di fisici guidato dal collega della Rockefeller University Tyler Shendruk ha recentemente rilevato una firma matematica significativa inscritta in quella disintegrazione dall'ordine al caos. La loro scoperta, descritto il 16 maggio in Comunicazioni sulla natura , fornisce il primo collegamento concreto tra la turbolenza in un sistema biologico e all'interno del mondo fisico più ampio, dove è meglio conosciuto per imbarcare aerei e barche.

Un fluido che si muove da solo

Nei sistemi fisici, la turbolenza emerge quando il flusso regolare di un liquido o di un gas viene interrotto, producendo turbinii imprevedibili come quelli nel fumo fluttuante, surf schiumoso, e un volo da far cadere lo stomaco. Prova come potrebbero, gli scienziati non sono ancora in grado di prevedere con precisione come il fumo, acqua, aria, o qualsiasi altra sostanza si muoverà durante la turbolenza.

Qualcosa di simile sembra accadere all'interno di certi sistemi biologici. Recentemente, gli scienziati hanno scoperto una dinamica simile alla turbolenza che emerge da quelli che chiamano fluidi attivi, come una massa densa di batteri che nuotano o un insieme di proteine ​​che generano movimento sospese in un liquido. A differenza di una goccia d'acqua, questi fluidi attivi si muovono con la propria forza. La turbolenza biologica che generano differisce quindi in alcuni modi significativi dal fenomeno fisico, e la relazione tra questi due tipi di turbolenza rimane controversa e poco conosciuta.

La recente scoperta di Shendruk collega i due mostrando che mentre emerge e si propaga, la turbolenza segue lo stesso schema nelle masse di batteri che nuotano come nell'aria, acqua, o qualsiasi altro sistema fisico.

Discesa nel caos

Nella ricerca iniziata con Julia Yeomans all'Università di Oxford, Shendruk e i suoi colleghi hanno creato una simulazione al computer di batteri che nuotano con vigore crescente all'interno di un canale confinato.

Nei loro modelli, una volta che l'attività batterica raggiunge un certo punto, emerge uno schema ritmico con alternanza di vortici in senso orario e antiorario. Ma mentre il nuoto diventa ancora più vigoroso, il modello inizia a rompersi. La turbolenza emerge prima come sbuffi che interrompono brevemente lo schema, poi morire.

Quando Shendruk e i suoi colleghi hanno osservato da vicino come si propagavano gli sbuffi, hanno scoperto che una volta emerse queste irregolarità, si sono ramificati in modo imprevedibile, a volte morendo, a volte continuando a dividersi di nuovo.

Questi rami alla fine formavano percorsi che assomigliavano al movimento dell'acqua calda attraverso i fondi di caffè. Come l'acqua che percola, gli sbuffi devono continuamente dividersi affinché la turbolenza si diffonda e alla fine superi i vortici ordinati.

La percolazione del caffè è una metafora familiare per i fisici, uno che viene utilizzato per descrivere come si comporta la turbolenza fisica mentre si diffonde. Identificando la stessa progressione dall'ordine al disordine tra i batteri del nuoto, Shendruk ei suoi colleghi hanno efficacemente colmato il divario tra la turbolenza dei fluidi attivi e quella osservata in altre parti del mondo.

"Collegando i fenomeni fisici e biologici, questa scoperta amplia la famiglia dei fenomeni considerati turbolenza, " dice Shendruk. "Questa connessione può aiutarci a capire meglio la turbolenza stessa, così come le dinamiche all'interno di questi flussi batterici".