Modell visar hur plankton överlever i en turbulent värld
Hur rör sig partiklar i turbulenta vätskor? Svaret på den frågan finns i en ny modell som redovisas i en avhandling från Göteborgs universitet. Modellen kan bidra till att skynda på utvecklingen av nya läkemedel.
När du rör om i ett glas vatten är det lätt att tro att alla eventuella partiklar i vattnet hamnar i kaos och rör sig helt slumpvist. Men så är inte alltid fallet, så kallade aktiva mikrosimmare kan förflytta sig genom flöden på egen hand. Doktoranden Navid Mousavi vid Göteborgs universitet, har skapat en modell med olika hydrodynamiska faktorer för att studera hur dessa partiklar hanterar och till och med utnyttjar turbulensen.
Mikrosimmare kan vara biologiska som exempelvis plankton eller också konstruerade partiklar som nanomotorer. Gemensamt är att de spelar en avgörande roll både i naturen och i industrin. Plankton bidrar till de globala ekosystemen genom att producera syre och de utgör basen för näringsväven i haven.
Åker snålskjuts i strömmen
Navid Mousavi har skapat nya metoder för modellering och studier av mikrosimmares navigering genom att kombinera aktiv materias fysik med principer för maskininlärning. Avhandlingen har hittat optimala beteenden hos plankton för att de ska överleva i sin turbulenta livsmiljö.
– I modellen använder sig plankton sig av lokal information för navigering, vilket återspeglar de verkliga förhållanden som dessa små simmare möter. Till skillnad från tidigare modeller där navigeringen byggt på global information, säger Navid Mousavi.
Forskningen visade också att mikrosimmare kan utnyttja flödet i vätskan för att förflytta sig snabbare än vad de kan på egen hand, vilket är en viktig insikt för både biologiska och artificiella tillämpningar.
Ett annat spännande resultat av studien är upptäckten av hur partiklarna optimerar för att undvika kraftiga turbulenta flödesdeformationer. Det innebär att mikrosimmare tenderar att simma mot vattenflödet för att behålla sin position i ett område med liten deformation.
– Detta beteende verkar vara avgörande för överlevnad och gör det möjligt för plankton att undvika rovdjur och hålla sig i näringsrika zoner, säger Navid Mousavi.
Viktig kunskap för medicinutveckling
Alla strategier som hittades visade sig vara effektiva i flera olika simuleringar, vilket betyder att de kan ha praktiska tillämpningar.
Resultaten av studien ger viktig kunskap som har flera användningsområden. Det skulle kunna bidra inom medicinen för att utveckla smarta mikrosimmare som kan leverera läkemedel direkt till specifika områden i kroppen, vilket gör behandlingar mer effektiva. Miljömässigt skulle dessa små simmare kunna hjälpa till att städa upp mikroplaster från våra hav och bidra till en friskare planet.
– I framtiden kommer vi behöva validera modellen i experiment, både med naturliga plankton och artificiella mikrosimmare, säger Navid Mousavi.
Forskarna planerar också att undersöka mer komplexa modeller som tar hänsyn till energieffektivitet och det kollektiva beteendet hos flera simmare.
Avhandling: Microswimmer Navigation in Turbulence
Kontakt: Navid Mousavi, doktorand på Institutionen för fysik vid Göteborgs universitet, telefon: 072-766 37 63, e-post: navid.mousavi@physics.gu.se