Merci à leur forme asymétrique, les micro-organismes en forme de soulier peut nager à la surface de l'eau sous leur propre vapeur
La capacité de nager vers le haut - vers le soleil et les approvisionnements alimentaires - est vital pour de nombreux micro-organismes aquatiques. Exactement comment ils sont capables de faire la différence entre les ci-dessus et ci-dessous dans les eaux souvent troubles est toujours pas compris aujourd'hui. Un très simple astuce de la physique impliquant l'équilibre auto-organisé de deux forces pourrait offrir une explication fiable et efficace de ce phénomène. Cela a été démontré par une équipe de recherche internationale dirigée par Clemens Bechinger de l'Institut Max Planck pour les systèmes intelligents et de l'Université de Stuttgart. Leur découverte, non seulement fournit une explication plausible et élégant pour ce comportement naturel appelé Gravitaxis, il pourrait également être utilisé pour permettre à la direction de l'auto-organisée de natation essaims de micro-robots à l'avenir.
La vie est dure pour les petits organismes - au moins en ce qui concerne la natation. Physicien de Stuttgart et Max Planck Fellow Clemens Bechinger rappels de natation dans un étang de carrière en été: "Si vous effectuez une forte brasse puis placez vos bras à vos côtés», dit le professeur," Vous déplacer à quelques mètres de l'avant dans l'eau." Notre corps relativement massif est légèrement ralenti par l'eau, que nous éprouvons en tant que milieu fluide. Pour les micro-organismes, cependant, l'eau est visqueuse, comme le miel. En plus de développer une technique de natation adaptée, de nombreux microswimmers doivent surmonter un deuxième défi dans leur - souvent trouble - environnement aquatique: ils doivent être en mesure de faire leur chemin en toute sécurité à la surface de l'eau. Précisément comment ils réussissent à le faire est l'objet de recherches par Bechinger dans le cadre d'un projet de coopération internationale.
La capacité de se déplacer dans la bonne direction est une question de survie pour de nombreux organismes aquatiques. Les zones plus profondes peuvent être fatales en raison du manque d'oxygène - et le voyage à la surface promet la nourriture et de la lumière pour la photosynthèse, par exemple. Contrairement aux poissons avec une vessie natatoire, les petits nageurs sont souvent plus lourds que l'eau et risquent donc de couler au fond. Éviter cette «sédimentation» est aussi importante pour de nombreuses bactéries comme pour les plus grands organismes unicellulaires, par exemple les microalgues ou, familiers à beaucoup de cours de biologie, paramécie. Le terme technique pour ce comportement est "gravitaxis négatifs", qui peut être décrit comme un mouvement dirigé contre la gravité. La question reste, cependant, quant à la façon dont ces nageurs microscopiques trouver leur chemin vers le haut. Bechinger explique que certains scientifiques spéculent sur l'existence de récepteurs qui dirigent les nageurs minute à la surface en fonction de la réduction de la pression de l'eau. Toutefois, la variation de la pression de l'eau le long de la longueur du corps microscopique de ces organismes est minime. Par conséquent, la question de savoir si un tel mécanisme relativement complexe existe réellement reste ouverte.
La forme de poire asymétrique entraîné une orientation vers le haut
Purement solutions physiques sont beaucoup plus simples et plus élégant. Ce type de solution est utilisé par l'algue verte unicellulaire Chlamydomonas du genre, par exemple. Une partie de ces organismes est légèrement plus lourd que le reste de sorte que cette extrémité pointe toujours vers le bas, assurant ainsi leur positionnement stable - semblable à une bouée. Si un flagelle est fixé à cette extrémité de l'organisme, il propulse automatiquement vers le haut.
Cependant, il existe un grand nombre de microswimmers dans lequel l'existence de ce genre d'effet bouée peut être exclue; ils ne présentent toutefois aucun problème de nager dans une direction ascendante. Les physiciens impliqués dans le projet coopératif croient que la forme du corps de ces organismes joue un rôle crucial dans ce processus. Paramecia, par exemple, ressemblent à des poires allongées. Les scientifiques soupçonnaient que cette forme asymétrique pourrait assurer une orientation vers le haut stable.
 |
Comment
certains organismes sont en mesure
de
trouver vers le haut pour leur survie – comme
montré ici
symboliquement par le bas - a été
jusqu'à
présent un ...
|
Afin d'être en mesure d'étudier ce phénomène en détail, les chercheurs ont développé une expérience utilisant des organismes modèles en forme de L en un matériau synthétique qui est plus lourd que l'eau. Par rapport aux organismes vivants, ce modèle a l'avantage que les scientifiques pourraient contrôler la forme et le poids du corps vers le bas au dernier détail. La forme en L ils ont utilisé avait un six-micromètre de long (millionièmes de mètre) et un second bras de neuf micromètre-longue. Les chercheurs ont choisi cette forme, car il fournit l'asymétrie maximale en deux dimensions - qui est sur le plat. Ils ont produit leurs nageurs utilisant un procédé similaire à celui utilisé par l'industrie des semi-conducteurs pour produire des puces.
acte de la gravité et la friction sur forme de L-micro-nageurs les uns contre les autres
Les scientifiques de Stuttgart ont développé une solution ingénieuse pour le mécanisme de propulsion. Ils revêtues du côté avant du bras court d'une couche d'or, qui est si mince qu'il n'a fait qu'augmenter le poids de cette extrémité du corps du nageur négligeablement. De cette façon, ils ont exclu la possibilité de l'effet de la bouée. Les physiciens ont ensuite porté un faisceau laser à une certaine longueur d'onde sur la couche d'or. Le liquide réchauffé et il génère une force de propulsion à l'extrémité inférieure du L.
Les expériences ont en effet montré que la forme en L assure la natation stable dans une direction ascendante. Malgré la complexité des chercheurs de modèle, il fournit une explication facile à comprendre des microswimmers de comportement. Dès que les chercheurs "activés" le mécanisme de propulsion, sa force a pris effet au-dessous du milieu du bras L court.
dix Hagen, un étudiant au doctorat qui, avec son superviseur, le professeur Hartmut Löwen, effectué la simulation par ordinateur à l'Université de Düsseldorf explique comment cela fonctionne: "Cela provoque le L à tourner dans la direction du bras long.» La raison pour cela est que la gravité veut faire pencher la l, qui est équilibrée délicatement par la force de propulsion comme une pointe de crayon, sur le côté lourd. Cependant, le mouvement résultant de cette rotation dans le sens antihoraire contrecarre une seconde force, la force de friction de l'eau qui coule d'en haut. Cette force voudrait tourner la L dans le sens horaire, comme ses plus courts actes de bras inférieurs comme un frein en position verticale dans le courant. "Ce serait comme un bateau à rames en mouvement avec une torsion à gauche», dit Bechinger, "que je COUNTERACT en submergeant le droit rame."
Un système de contrôle auto-organisation pour microrobots
Si la vitesse de remontée est droite, les deux réprimant les "couples" montent vers le haut et la forme en L nage de façon stable vers le haut à l'encontre de la gravité. En outre, les chercheurs ont découvert que la gamme des vitesses, dans lequel ces fonctions d'effet, est relativement étendue. "Ainsi, l'effet est robuste», dit Bechinger. Le mouvement ne devient instable au-dessus d'une certaine vitesse critique et les nageurs dégringolent le long d'une trajectoire en spirale. Les calculs théoriques, sur lequel un physicien de l'Université d'Edimbourg et un mathématicien de flux de Honolulu ont collaboré avec les deux physiciens de l'Université de Düsseldorf, concordent pleinement avec les expériences.
Par-dessus tout, l'effet est universel parce qu'elle est purement physique. Il applique à tous les microswimmers dont les formes corps dévier d'une forme sphérique. "L'asymétrie assure le mouvement vers le haut», souligne Felix Kümmel, un étudiant au doctorat à Stuttgart qui travaille sur le projet: "Les scientifiques avaient déjà spéculé sur un tel mécanisme, mais nos expériences montrent seulement que cela fonctionne réellement." Cette auto-organisation effet est d'intérêt pour les chercheurs pour d'autres raisons, car il pourrait être adopté comme un moyen simple de contrôler le mouvement des essaims de micro-robots. De tels systèmes sont actuellement en cours de tests intensifs. Ils peuvent être utilisés un jour pour la délivrance ciblée de médicaments dans l'organisme et la purification de masses d'eau, par exemple.