Раскрытие физических механизмов движения микропловцов
Бактерии и другие одноклеточные организмы развили сложные способы активного перемещения, несмотря на сравнительно простую структуру. Чтобы раскрыть эти механизмы, исследователи из Института динамики и самоорганизации им. Макса Планка (MPI-DS) использовали капли масла в качестве модели биологических микропловцов. Коринна Маасс, руководитель группы в MPI-DS и профессор Университета Твенте, вместе с коллегами исследовала стратегии навигации микропловцов в нескольких работах: как они движутся против течения в узких каналах, как влияют друг на друга и как коллективно начинают вращаться для перемещения.
Чтобы выжить, биологическим организмам необходимо реагировать на среду. В то время как люди или животные обладают сложной нервной системой, одноклеточные организмы развили иные стратегии. В биологии мелкие организмы, такие как паразиты и бактерии, перемещаются по узким каналам, например, кровеносным сосудам. Они часто делают это регулярным, осциллирующим образом, основанным на гидродинамических взаимодействиях со стенкой канала.
«В наших экспериментах мы смогли подтвердить теоретическую модель, описывающую специфическую динамику микропловца в зависимости от его размера и взаимодействий со стенкой канала», — говорит Коринна Маасс.
Эти регулярные паттерны движения также могут быть использованы для разработки механизмов целевой доставки лекарств, даже против течения, как показало предыдущее исследование.
След из отработанного топлива
В другом исследовании учёные изучили, как движущиеся микропловцы влияют друг на друга. В их экспериментальной модели маленькие капли масла в мыльном растворе движутся автономно, отбрасывая небольшие количества масла для создания тяги. Подобно тому, как самолёт оставляет инверсионный след, микропловцы генерируют след из отработанного топлива, который может отталкивать других. Таким образом, микропловцы способны определить, был ли другой пловец на том же месте незадолго до этого.
«Интересно, что это вызывает движение с самоизбеганием для отдельных микропловцов, тогда как их ансамбль приводит к тому, что капли оказываются в ловушке между следами друг друга», — говорит Бабак Важди Хокмабад, первый автор исследования.
Отталкивание второй капли от траектории предыдущей зависит от угла её приближения и времени, прошедшего после прохождения первого пловца. Эти экспериментальные данные также подтверждают предыдущие теоретические работы Рамина Голестаниана, управляющего директора MPI-DS.
Коллективное движение через кооперацию
Наконец, группа также исследовала коллективное гидродинамическое поведение множества микропловцов. Они обнаружили, что несколько капель могут формировать кластеры, которые спонтанно начинают парить, как суда на воздушной подушке, или подниматься и вращаться, как микроскопические вертолёты. Вращение кластера основано на кооперативной связи между отдельными каплями, что приводит к скоординированному поведению — хотя отдельные капли сами по себе не способны на такое движение. Таким образом, эти структуры представляют собой ещё один физический принцип того, как микропловцы могут прокладывать свой путь — без использования мозга или мышц.