Liberare migliaia di microrganismi per nuotare in direzioni casuali in una pozza infinita di liquido potrebbe non sembrare una ricetta per l'ordine, ma alla fine lo sciame se ne andrà con il proprio flusso.

La modellazione teorica condotta dal matematico applicato Saverio Spagnolie dell'Università del Wisconsin-Madison mostra che le forze generate da diversi tipi di piccoli nuotatori li spazzeranno tutti in modi prevedibili.

"Quando ogni singola particella sperimenta i flussi creati da tutte le altre particelle, si sa che possono emergere in modo naturale effetti davvero sorprendenti, " dice Spagnolie. "I flussi e gli orientamenti dei nuotatori diventano coerenti su una scala di lunghezza molto più lunga di ogni singola particella, risultando in enormi stormi di organismi che nuotano nella stessa direzione e, forse involontariamente, lavorare insieme."

Il movimento di folle di cose troppo piccole per essere facilmente visibili, come organismi unicellulari e filamenti all'interno di singole cellule responsabili della divisione cellulare, è di fondamentale importanza per la ricerca nella scienza dei materiali, ingegneria e biochimica.

Simulando le interazioni di grandi gruppi di particelle che creano ciascuno un flusso, Spagnolie e Arthur Evans di UW-Madison, Il fisico Christopher Miles dell'Università del Michigan e il matematico Michael Shelley del Flatiron Institute e della New York University hanno scoperto che quando le particelle sono confinate in un foglio sottile e lasciate che si espandano in un fluido vuoto, il moto collettivo può essere descritto da equazioni già utilizzate in problemi classici completamente diversi di meccanica dei fluidi. Il gruppo ha pubblicato oggi i suoi risultati sulla rivista Lettere di revisione fisica .

"Se stai risolvendo per la traiettoria di 10, 000 o 100 o anche 10 cose che rimbalzano, è difficile vedere cosa sta succedendo. Puoi perdere di vista la struttura profonda, "dice Spagnolie, il cui lavoro è sostenuto dalla National Science Foundation. "Ma se ci sono abbastanza particelle, possono essere visti come un tipo di fluido attivo, con equazioni che descrivono la velocità e la densità di un gruppo locale di particelle, proprio come pensiamo di derivare equazioni per descrivere l'acqua o l'aria che scorre."

I ricercatori hanno elaborato le equazioni rilevanti per le particelle che si muovono con vari mezzi:nuotatori che si spingono o si tirano attivamente attraverso il fluido, e tipi (come i microtubuli all'interno di una cellula) che si spingono o si tirano attraverso mezzi molecolari senza appendici attive come i flagelli, e li mettono in movimento.

"Da quella perturbazione c'è questa esplosione di movimento, " Dice Spagnolie. "E poi osserviamo come le diverse forze agiscono sui diversi tipi di particelle".

Mentre una fitta colonia di tiratori di nuotatori, Per esempio, si allunga in una linea perpendicolare alla direzione in cui sono diretti, una colonia di spacciatori si allunga rapidamente nella direzione del moto, e poi si piega su se stessa più e più volte in una cascata di pieghe che si restringono.

"Che questi individui possono raggrupparsi insieme passivamente solo grazie alle loro interazioni fluide, e che questo si traduce in eventi ed effetti su larga scala che non possono ottenere come particelle indipendenti, è rilevante per molte funzioni biologiche, come la miscelazione dei nutrienti e la resistenza batterica agli antibiotici negli sciami batterici e nei biofilm, "dice Spagnoli.

I ricercatori ritengono che la loro descrizione teorica della rapida crescita dei fogli attivi - che inaspettatamente somigliava a equazioni ben note come quelle usate per descrivere il movimento dei fluidi intrappolati tra le piastre o dispersi nel suolo - sarà utile ad altri che lavorano nel punto in cui i fluidi interagire con motori in miniatura come batteri e microtubuli.

"Questa è una delle prime considerazioni teoriche sulle particelle concentrate che invadono un fluido sfuso, " dice Spagnolie. "La speranza è che questo sia un caso di esperimento che conduce alla teoria, offrendo previsioni che possono essere convalidate o invalidate da ricercatori che sono sul punto di portare a termine un simile esperimento".