Existen ciertos patrones universales en la naturaleza que son válidos, independientemente del tamaño de los objetos, especies o alrededores. Tomemos, por ejemplo, los fractales ramificados que se ven tanto en las ramas de los árboles como en los vasos sanguíneos, o las espirales sorprendentemente similares en moluscos y repollo.
Ahora los científicos del MIT y la Universidad de Cambridge han identificado un patrón compartido inesperado en el movimiento colectivo de bacterias y electrones: a medida que miles de millones de bacterias fluyen a través de una red microfluídica, se sincronizan y nadan en patrones similares a los de los electrones que orbitan alrededor de los núcleos atómicos enun material magnético
Los investigadores descubrieron que al ajustar ciertas dimensiones de la red microfluídica, podían dirigir miles de millones de microbios para alinearse y nadar en la misma dirección, de la misma forma en que los electrones circulan en la misma dirección cuando crean un campo magnético.cambios en la red, grupos de bacterias fluyeron en direcciones opuestas, pareciéndose a electrones en un material no magnético.
Sorprendentemente, los investigadores también identificaron un modelo matemático que se aplica a los movimientos de las bacterias y los electrones. El modelo deriva de una teoría general del campo reticular, que generalmente se usa para describir el comportamiento cuántico de los electrones en materiales magnéticos y electrónicos.Los investigadores redujeron este modelo complejo a un modelo de "libro de texto" mucho más simple, que predice que una transición de fase, o un cambio en la dirección del flujo, debería ocurrir con ciertos cambios en las dimensiones de una red - una transición que el equipo observó en sus experimentos conbacterias
"Es muy sorprendente que veamos esta universalidad", dice Jörn Dunkel, profesor asistente de matemáticas aplicadas en el MIT. "Lo realmente bueno es que tienes un sistema vivo aquí que muestra todos estos comportamientos que la gente piensa que también están sucediendo".en sistemas cuánticos "
Dunkel y sus colegas de la Universidad de Cambridge - Hugo Wioland, Francis Woodhouse y Raymond Goldstein '83 - publicaron sus resultados ayer en la revista Física de la naturaleza .
superficies bacterianas guía
Dunkel comenzó a analizar los patrones de natación de las bacterias como un postdoctorado con el grupo de la Universidad de Cambridge dirigido por Goldstein. Los investigadores estaban explorando cómo manipular el flujo bacteriano, como una forma de prevenir las biopelículas: capas densas de baba microbiana que pueden tomarsobre duchas, obstruir los sistemas de filtración y aferrarse a los cascos de los barcos.
"En general, estábamos interesados en cómo los microbios como las bacterias interactúan con las superficies de forma individual y colectiva, y cómo podrían las superficies guiar a los microorganismos", dice Dunkel.
En los experimentos iniciales, los investigadores colocaron bacterias en piscinas o pozos progresivamente más pequeños, y observaron sus patrones de natación. En pozos más grandes, los microbios tendían a nadar en un desorden relativo. En pozos mucho más pequeños, que miden alrededor de 70 micras de ancho, miles delas bacterias comenzaron a comportarse de manera ordenada, nadando en espiral, en la misma dirección dentro del pozo, durante largos períodos de tiempo.
Contra la corriente
En el nuevo estudio, los investigadores observaron que las bacterias fluyen a través de una serie interconectada de estos pequeños pozos. Hecho de un polímero transparente similar al caucho, el enrejado está compuesto por 100 pozos, cada uno de los cuales mide 70 micras y está conectado a sus vecinos por uncanal pequeño. Inyectaron bacterias en la matriz y observaron la dirección en que las bacterias fluían dentro de cada pozo.
Dunkel y sus colegas descubrieron que podían manipular el flujo de la bacteria cambiando una dimensión clave: el diámetro de los canales de conexión, o lo que llaman tamaño de espacio. Si el espacio era demasiado pequeño, las bacterias en un pozo entrarían en espiralla dirección opuesta a la de sus vecinos en el pozo adyacente, como la circulación alterna de electrones en un material no magnético. Sin embargo, si el tamaño del espacio fue de 8 micrones o más, los investigadores observaron una transición de fase, en la cual las bacterias en cada pozo se sincronizaron,fluyendo en la misma dirección, como electrones alineados en un campo magnético.
Examinando esta transición de fase más de cerca, los investigadores encontraron que un espacio de separación más grande permite que más bacterias fluyan de un pozo a un pozo vecino. Este movimiento de bacterias entre los pozos crea una "corriente de borde" o un flujo de bacterias en elbordes de cada pozo, lo que a su vez induce a las bacterias en el interior del pozo a fluir contra él. El resultado general es que la mayoría de las bacterias dentro de cada pozo fluyen en la misma dirección, opuesta a las corrientes de los bordes.
Modelado de movimiento colectivo
Para ver si los movimientos similares de bacterias y electrones se confirman matemáticamente, Dunkel y sus colegas buscaron la teoría del campo reticular, el modelo típicamente aplicado para describir el comportamiento de los electrones en los sistemas cuánticos. Redujeron este modelo más complicado al modelo de Ising- un modelo de "libro de texto" utilizado para describir el giro de los electrones dentro de una red cuadrada bidimensional similar a la red microfluídica fabricada por los investigadores.
Aplicando el modelo de Ising a su red física, los investigadores descubrieron que el modelo predijo una transición de fase en respuesta a un cambio en un parámetro, que, en este caso, resultó ser el tamaño de la brecha. Dunkel y sus colegas encontraron que elLas predicciones del modelo coincidieron con sus experimentos en una red cuadrada.
El grupo también estudió las bacterias que fluyen a través de una red triangular, un patrón repetitivo de tres pozos interconectados, y descubrió que, nuevamente, las expectativas teóricas coincidían con las observaciones.
En el futuro, Dunkel dice que le gustaría explorar el flujo bacteriano en arreglos y entornos más aleatorios.
"En un medio poroso real como el suelo o el tejido, no tienes esta distribución muy uniforme de bacterias", dice Dunkel. "Entonces, ¿cómo se controla el movimiento colectivo de las bacterias mediante la aleatoriedad del medio? Ese es el próximo objetivo más grande".
Esta investigación fue financiada, en parte, por una Beca 247333 RG y FW del Investigador Avanzado del Consejo Europeo de Investigación, EPSRC RG y HW, un Premio del Fondo MIT Solomon Buchsbaum y una Beca de Investigación Alfred P. Sloan JD.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Jennifer Chu. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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