Libérer des milliers de micro-organismes pour qu'ils nagent dans des directions aléatoires dans une piscine infinie de liquide peut ne pas ressembler à une recette pour l'ordre, mais finalement l'essaim ira avec son propre flux.

La modélisation théorique dirigée par le mathématicien appliqué de l'Université du Wisconsin-Madison, Saverio Spagnolie, montre que les forces générées par différents types de petits nageurs les balayeront tous de manière prévisible.

"Lorsque chaque particule individuelle subit les flux créés par toutes les autres particules, on sait que des effets vraiment surprenants peuvent naturellement émerger, " dit Spagnolie. " Les flux et les orientations des nageurs deviennent cohérents sur une échelle de longueur beaucoup plus longue que n'importe quelle particule individuelle, résultant en d'énormes troupeaux d'organismes nageant dans la même direction et, peut-être involontairement, travailler ensemble."

Le mouvement de foules de choses trop petites pour être facilement visibles, comme des organismes unicellulaires et des filaments à l'intérieur de cellules individuelles responsables de la division cellulaire, est d'une importance cruciale pour la recherche en science des matériaux, génie et biochimie.

En simulant les interactions de grands groupes de particules qui créent chacun un écoulement, Spagnolie et Arthur Evans de UW-Madison, Le physicien de l'Université du Michigan Christopher Miles et le mathématicien Michael Shelley du Flatiron Institute et de l'Université de New York ont ​​découvert que lorsque les particules sont confinées à une feuille mince et autorisées à se dilater dans un fluide vide, le mouvement collectif peut être décrit par des équations déjà utilisées dans des problèmes classiques entièrement différents en mécanique des fluides. Le groupe a publié ses conclusions aujourd'hui dans la revue Lettres d'examen physique .

"Si vous résolvez la trajectoire de 10, 000 ou 100 ou même 10 choses qui rebondissent, il est difficile de voir ce qui se passe. Vous pouvez perdre de vue la structure profonde, " dit Spagnolie, dont les travaux sont soutenus par la National Science Foundation. "Mais s'il y a assez de particules, ils peuvent être vus eux-mêmes comme un type de fluide actif, avec des équations décrivant la vitesse et la densité d'un groupe local de particules, tout comme nous pensons dériver des équations pour décrire l'écoulement de l'eau ou de l'air."

Les chercheurs ont élaboré les équations pertinentes pour les particules qui se déplacent par divers moyens :les nageurs qui se poussent ou se tirent activement à travers le fluide, et les types (comme les microtubules à l'intérieur d'une cellule) qui se poussent ou se tirent par des moyens moléculaires sans appendices actifs comme les flagelles et les ont mis en mouvement.

"De cette perturbation, il y a cette explosion de mouvement, " dit Spagnolie. " Et puis nous observons comment les différentes forces s'exercent sur différents types de particules. "

Alors qu'une colonie serrée de nageurs tirants, par exemple, s'étend sur une ligne perpendiculaire à la direction vers laquelle ils se dirigent, une colonie de pousseurs s'étire rapidement dans le sens du mouvement, puis se replie sur elle-même encore et encore dans une cascade de plis qui rétrécissent.

« Que ces individus puissent se regrouper passivement du seul fait de leurs interactions fluides, et que cela entraîne des événements et des effets à grande échelle qu'ils ne peuvent pas obtenir en tant que particules indépendantes, est pertinent pour de nombreuses fonctions biologiques, comme le mélange des nutriments et la résistance bactérienne aux antibiotiques dans les essaims bactériens et les biofilms, " dit Spagnolie.

Les chercheurs pensent que leur description théorique de la croissance rapide des feuilles actives - qui ressemblait de manière inattendue à des équations bien connues comme celles utilisées pour décrire le mouvement des fluides piégés entre les plaques ou dispersés dans le sol - sera utile à d'autres travaillant au point où les fluides interagir avec des moteurs miniatures comme les bactéries et les microtubules.

"C'est l'une des premières considérations théoriques sur les particules concentrées envahissant un fluide en vrac, " dit Spagnolie. " L'espoir est qu'il s'agisse d'un cas d'expérimentation théorique, offrant des prédictions qui peuvent être validées ou invalidées par des chercheurs qui sont sur le point de réaliser une telle expérience. »