Бактерии в микрорешетке ведут себя как электроны в магнитном материале

Ученые из MIT и Кембриджского университета обнаружили неожиданное сходство в коллективном движении бактерий и электронов. Когда миллиарды бактерий протекают через микрофлюидную решетку, они синхронизируются и движутся по паттернам, похожим на движение электронов, вращающихся вокруг атомных ядер в магнитном материале.

Управление потоком бактерий

Исследователи создали решетку из 100 микролунок (каждая 70 микрон), соединенных каналами. Направление потока бактерий внутри лунок удалось контролировать, изменяя один ключевой параметр — диаметр соединительных каналов (gap size).

• Если зазор был слишком мал, бактерии в соседних лунках вращались в противоположных направлениях — аналогично электронам в немагнитном материале.
• При размере зазора 8 микрон и более происходил фазовый переход: бактерии во всех лунках синхронизировались и начинали течь в одном направлении, подобно выровненным электронам в магнитном поле.

Этот переход объясняется возникновением "краевого тока" (edge current) — потока бактерий по краям лунок, который заставляет основную массу бактерий в центре течь в противоположном направлении.

Универсальная математическая модель

Удивительно, но движение бактерий описывается той же математической моделью, что и поведение электронов в квантовых системах. Исследователи применили решеточную теорию поля (lattice field theory), упростив её до классической модели Изинга (Ising model), которая описывает спин электронов в двумерной квадратной решетке.

Эта модель предсказала фазовый переход в ответ на изменение одного параметра, которым в эксперименте оказался размер зазора. Предсказания модели совпали с экспериментальными данными как для квадратной, так и для треугольной решетки.

"Очень удивительно, что мы видим эту универсальность. У вас есть живая система, которая демонстрирует все те модели поведения, которые, как считается, происходят и в квантовых системах", — говорит Йорн Дункель (Jörn Dunkel), соавтор исследования.

Результаты работы, опубликованные в журнале Nature Physics, открывают путь к изучению коллективного движения микроорганизмов в более сложных и случайных средах, таких как почва или живые ткани.