Новая теория математиков объясняет кажущийся хаос биологических систем
Международная команда исследователей представила новую теорию, объясняющую движение наблюдаемых частиц в динамической среде. Их модель способна прогнозировать реальное поведение биологических систем, например, плавающих в воде водорослей или бактерий.
Броуновское движение описывает случайное движение частиц в жидкостях, однако, эта модель работает только когда жидкость находится в статическом или в равновесном положении. В реальных условиях частицы — например, микроорганизмы — могут создавать в потоке движение, которое нарушает равновесие, пишет Phys.org.
Эксперименты показывают, что неподвижные «пассивные» частицы могут двигаться по странным, замкнутым траекториям, если взаимодействуют с «активными» пловцами, теми же микроорганизмами, например. Тогда их поведение не будет соответствовать описанному Броуном. Прежде ученые не могли объяснить, как столь масштабные хаотические движения могут возникнуть из-за микроскопических взаимодействий отдельных частиц.
Изучив динамику рассеяния между пассивными и активными частицами в жидкости, ученые из Великобритании, Японии и Швейцарии смогли получить эффективную модель движения частиц в «активных» жидкостях. Их расчеты показали, что эффективная динамика частиц следует так называемой кривой «полета Леви», которая широко используется для описания экстремальных движений в комплексных системах.
«До сих пор не было объяснения тому, как происходит полет Леви, на основе микроскопических взаимодействий, которые подчиняются законам физики. Наши результаты показывают, что полеты Леви могут возникать как последствие гидродинамических взаимодействий между активными пловцами и пассивными частицами, что весьма удивительно», — пояснил Киеши Каназава, первый автор статьи.
Ученые обнаружили, что плотность активных пловцов также влияет на длительность режима полета Леви. Они предположили, что плавающие микроорганизмы могут использовать эту модель для поиска пищи.
Эволюционная биология подсказала инженерам-конструкторам из США оптимальную форму крыла для машущего полета. Такое крыло должно быть каплевидной формы, с острой задней кромкой, помогающей создавать мощные завихрения и закрученные потоки во время махов.
