Es ist eingängig , aber wahr: Einige Mikroorganismen, die Geißeln zur Fortbewegung nutzen können schneller in gelartige Flüssigkeiten wie Schleim schwimmen. Forschungsingenieure an der Brown University haben herausgefunden , warum . Es ist der Winkel der Spule , was zählt. Ergebnisse sind veröffentlicht in Physical Review Letters berichtet .
Eine HochwinkelHelix hilft Mikroorganismen wie Spermien und Bakterien schwimmen durch Schleim und andere viskoelastische Fluide , die nach einer neuen Studie von Forschern an der Brown University und der University of Wisconsin . Die Erkenntnisse zur Klärung einige scheinbar widersprüchliche Erkenntnisse darüber, wie Mikroorganismen schwimmen mit Geißeln , spiralförmigen Fortsätzen , die Antriebs bieten wenn sie sich drehen .
Einfach wie einzellige Lebewesen auch sein mag, zu verstehen, wie sie herum zu erhalten erfordert eine komplexe Wissenschaft. Die Physik der spiralförmigen Schwimm erweist sich als " eine wirklich interessante Fluiddynamik Problem", sagte Thomas Powers , Professor für Ingenieurwissenschaften und Physik an der Brown und einer der Autoren der neuen Studie.
Im Maßstab einer Einzelzelle , werden Fluide viel viskoser als im größeren Maßstab . Ein Bakterium schwimmen durch das Wasser " würden wie wir versuchen, in Teer schwimmen ", sagte Powers . Das bedeutet, dass Schwimmen im Mikrometerbereich ist ein völlig anderes Unternehmen , als es für Fisch oder Menschen . Eingängig wie es klingen mag , verlassen winzigen spiralförmigen Schwimmer ausschließlich ziehen, um vorwärts zu bewegen. Die Dreh Geißel schafft eine scheinbare Welle, die hinter der Kreatur aus ausbreitet. Die Widerstandskraft gegen diese Welle schiebt die Kreatur in die entgegengesetzte Richtung .
In den letzten Jahren gab es einige theoretische Arbeit am volles Verständnis der Physik von dieser Art von Schwimm Ziel , ein Großteil davon durch die Modellierung , wie spiralförmige Schwimmer im Wasser verhalten getan . Aber Bakterien und Samenzellen verbringen viel Zeit in Flüssigkeiten wie Schleim und zervikale Flüssigkeit - Flüssigkeiten, die nicht nur viskoser als Wasser, aber auch elastisch , da sie voll von federnden Polymere sind . Da eine rotierende Spirale vielleicht in der Lage , gegen die Polymere zu drücken , könnte es sein , dass eine viskoelastische Flüssigkeit macht Schwimmen einfacher.
"Es ist eine ziemlich einfache Frage", sagte Powers . "Hat Viskoelastizität machen Mikroorganismen schwimmen schneller oder langsamer ? " Das Finden der richtigen Antwort , jedoch nicht so einfach.
Frühe theoretische Arbeit vorgeschlagen viskoelastischen Flüssigkeiten sollten Wendel Schwimmer verlangsamen . Aber einige experimentelle Arbeit im Brown School of Engineering von Powers , Post-Mitarbeiterin Liu Bin , und Kenneth Breuer , Professor für Maschinenbau, schlug vor, dass viskoelastische Flüssigkeiten sollten wirklich helfen, spiralförmigen Schwimmer bewegen sich schneller .
Diese neueste Studie in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht hilft , diese scheinbare Lücke zu schließen. Powers und Liu arbeitete mit Saverio Spagnolie , einem Professor für Mathematik an der University of Wisconsin und aformer Postdoc-Forscher an der Brown . Mit was Powers beschrieben als " ein paar clevere numerischen Verfahren und eine Menge harter Arbeit ", war in der Lage, Spagnolie rechnerisch , dass der Steigungswinkel der Wendel zu zeigen - das Ausmaß, in dem die Helix aufgewickelt - Angelegenheiten , wie gut es in viskoelastischen Flüssigkeiten führt . Bei einer niedrigen Steigungswinkel ( denken Sie an einen gestreckten Telefonkabel ) , bewegen Helices langsamer in viskoelastischen Flüssigkeiten. Wenn der Neigungswinkel erhöht , die Leistung verbessert.
Die Ergebnisse in Einklang zu bringen die experimentelle und theoretische Arbeiten früher . Ein Großteil der theoretischen Arbeit, die mehrere Viskositäts vorgeschlagen würde langsamer Schwimm verursachen , vorausgesetzt eine kleine Steigungswinkel zum Zwecke des Haltens der Berechnungen überschaubar. Die experimentellen Arbeiten , die Viskosität zeigte, beschleunigte Schwimmen, beteiligt höheren Steigungswinkel . Indem numerisch , dass ein höherer Steigungswinkel erhöht die Geschwindigkeit , konnten die Forscher , diese offensichtliche Diskrepanz erklären. "Diese Arbeit zeigt, wie Sie diese vor der Arbeit zu verbinden ", sagte Powers .
Obwohl diese Arbeit extrem wertvoll bei der Verknüpfung von Theorie und Experiment war , gibt es noch viel Arbeit, um mit diesem Problem fertig werden , sagt Powers . " Wir wissen nicht wirklich das Ergebnis zu verstehen, weil es so schwer ist , um die dreidimensionale Konfiguration aller beteiligten Kräfte sichtbar zu machen. Es ist wirklich sehr frustrierend. Wir sind immer noch versuchen, ein intuitives Bild zu bekommen. "
Das an dieser Stelle , ist immer noch eine vorgeschaltete schwimmen.
Letztlich sagen die Forscher , könnte ein besseres Verständnis , wie winzig Schwimmer umgehen Untersuchungen der bakteriellen Infektion und der Fruchtbarkeit zu informieren. Es könnte auch helfen Wissenschaftler entwickeln künstliche Schwimmer , die Medizin in den Körper liefern könnte .