Группа физиков и микробиологов из UNIST и Стэнфордского университета впервые раскрыла фундаментальные законы, управляющие распределением самодвижущихся частиц, таких как бактерии.
Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters. В работе приняли участие профессор Джунву Чон из Департамента физики UNIST, профессор Роберт Дж. Митчелл из Департамента биологических наук UNIST и профессор Шо С. Такатори из Стэнфордского университета.
Основные выводы исследования
Исследование показывает, что распределение живых бактерий определяется хрупким балансом между их подвижностью и сродством к определённым жидким средам. Интересно, что результаты подчёркивают явление, соответствующее принципу «подобное притягивает подобное».
Подвижные бактерии имеют тенденцию скапливаться с другими бактериями, демонстрирующими аналогичное поведение подвижности, что влияет на их пространственное распределение в сложных жидкостях. В то время как силы, притягивающие бактерии в определённые жидкости, имеют тенденцию ограничивать их, способность бактерий двигаться позволяет им преодолевать эти ограничения и распределяться более широко, что противоречит традиционным ожиданиям, основанным исключительно на энергетических предпочтениях.
Используя оптические пинцеты, исследователи точно измерили силы, которые бактерии прикладывают для предпочтения одной жидкой фазы другой. Было обнаружено, что эта сила притяжения составляет примерно 1 пиконьютон (пН) — сила примерно в 10 миллионов раз слабее, чем та, которую испытывает человеческий волос под действием силы тяжести. Примечательно, что движущая сила бактерий была измерена на уровне около 10 пН, что достаточно для преодоления этих слабых сил притяжения и позволяет бактериям перемещаться между фазами.
Экспериментальная методика
Эксперименты включали введение Bacillus subtilis — бактерии, обычно используемой в ферментированных продуктах из сои — в двухфазную систему декстран/ПЭГ, которая естественным образом разделяется на фазы, богатые декстраном, и фазы, богатые ПЭГ.
В то время как неподвижные бактерии оставались ограниченными своей предпочтительной фазой, подвижные бактерии были равномерно распределены по обеим фазам — явление, которое не может быть объяснено исключительно тепловыми флуктуациями.
Вместо этого подвижные бактерии демонстрируют форму поведения «подобное притягивает подобное», где их самодвижение и взаимное притяжение приводят к их объединению с аналогичными бактериями, влияя на их фазовое разделение.
Ключевые участники
Ключевые участники исследования — доктор Джиён Чон, бывший докторант UNIST, ныне работающий в качестве постдокторанта в Технологическом институте Джорджии, и Кю Хван Чой, постдокторант Стэнфордского университета.
Команда подчеркнула, что эта междисциплинарная работа, охватывающая физику, химическую инженерию и микробиологию, успешно количественно определила силы, действующие на активные частицы в неравновесных условиях.
Эта модельная система предлагает новое понимание того, как бактерии и другие активные частицы ведут себя в средах, где энергия постоянно поставляется или потребляется, подкрепляя идею о том, что подобное поведение имеет тенденцию привлекать и влиять на коллективную динамику.
Профессор Чон объяснил: «Это исследование не только помогает нам понять, как бактерии занимают свои ниши в организме, но также имеет потенциальное применение в очистке белков, разработке биосенсоров и создании микророботов».
Начало Вселенной: космическая инфляция с использованием стандартного набора элементарных частиц
В журнале Physical Review Letters три учёных сформулировали новую модель: согласно ей, инфляция, первое очень быстрое расширение Вселенной, произошла бы в тёплой среде, состоящей из известных элементарных частиц.
Кроме того, сильное взаимодействие, одно из фундаментальных взаимодействий в Стандартной модели физики элементарных частиц, играет центральную роль. Это позволяет измерять первые доли секунды существования Вселенной на Земле.
Сценарий модели
Модель, разработанная авторами, основана на следующем сценарии: непосредственно перед Большим взрывом Вселенная претерпела очень короткую фазу ускоренной космической инфляции.
Широко распространённые гипотезы утверждают, что ранняя Вселенная была холодной и пустой, что требовало ранее неизвестного процесса для воспламенения горячей плазмы, наблюдаемой впоследствии — в момент фактического Большого взрыва. Существуют также модели тёплой инфляции. Авторы представляют новый подход к этому типу инфляции.
«Наше исследование показывает совершенно новый путь к тёплой инфляции», — говорит Себастьян Зелл, учёный из отдела «Космология и физика элементарных частиц» в Институте физики Общества Макса Планка. «Даже когда ранняя Вселенная расширялась, она могла быть погружена в тепловую ванну из известных элементарных частиц».
Эта модель инфляции имеет преимущество перед известными нам моделями: её можно объяснить в значительной степени с помощью «бортовых ресурсов», то есть хорошо изученных частиц и сил в Стандартной модели. Это делает первые моменты Вселенной доступными для измерений на Земле.
Однако представленный подход не работает без расширения Стандартной модели: глюоны, которые опосредуют сильное взаимодействие в атомных ядрах, связываются с полем гипотетических аксион-подобных частиц.
«Связь этих частиц с сильным взаимодействием обеспечила бы достаточную энергию для нагрева расширяющейся Вселенной», — объясняет Себастьян Зелл. «Это делает тёплую инфляцию осуществимой».
Существование космических аксионов или связанных с ними частиц могло бы решить несколько открытых вопросов в физике элементарных частиц. Одним из примеров является природа тёмной материи. Многие эксперименты направлены на обнаружение этих частиц. Одним из таких экспериментов является MADMAX, в котором ведущую роль играет MPI.
«С учётом этих усилий мы видим реалистичную возможность проверить тёплую инфляцию в будущем эксперименте», — заключает Зелл.