البكتيريا تضفر الضفائر: كيف يولد الفوضى في السائل نظامًا ✛
تجلس الحائكة أمام نولها، وتتحرك يداها بإيقاع لا يمكن توقعه مسبقًا. الخيوط تلتقي وتفترق، مشكلة نمطًا يبدو عشوائيًا لكنه يخضع لقواعد صارمة. بنفس الطريقة تقريبًا تتصرف البكتيريا في معلق كثيف: كل خلية تسبح في مسارها الخاص، لكنها معًا تخلق تدفقًا يخلط المواد الغذائية بكفاءة أعلى بكثير من أي حركة فردية.
أراد العلماء فهم كيفية تحول الحركات المجهرية إلى خلط عياني. للقيام بذلك، أضافوا إلى معلق الإشريكية القولونية العادية بكتيريا مضيئة نادرة من نفس النوع. عملت هذه "الكشافة" كأدوات تحريك وكمتتبعات في آن واحد: تم تسجيل مساراتها باستخدام المجهر، ثم تحويلها إلى ضفائر رياضية. الضفيرة هي تشابك خطوط توضح كيف تتحرك الجسيمات في المكان والزمان.
من هذه الضفائر، حسبوا سرعة الضفر، وهي توضح مدى سرعة نمو تشابك المسارات. اتضح أن هذه السرعة ترتبط ارتباطًا مباشرًا بجودة خلط السائل. والعلاقة بسيطة جدًا: سرعة الضفر تنمو كجذر تربيعي لسرعة انتشار البكتيريا. هذا القانون يعمل في ظروف مختلفة، حتى عندما تكون الخلية التي تحتوي البكتيريا رقيقة جدًا.
الآن لنعد إلى الحائكة. نمطها لم يكن مجرد تشابك عشوائي للخيوط، بل كان تسجيلًا دقيقًا لكيفية تحول الحركات المجهرية إلى تدفق عياني. البكتيريا، بتضفيرها إلى ضفائر، تسجل حرفيًا طوبولوجيا حركتها في هندسة التدفق. هذه الطريقة تساعد في تقييم الخلط في الأجهزة الميكروية دون حسابات معقدة، مما يبسط التحكم في الخلط في المفاعلات الحيوية.
عند ارتفاع غرفة 5 ميكرومتر، المماثل لحجم البكتيريا، تُحجب التفاعلات الهيدروديناميكية لدرجة أن النظام يتصرف كمادة نشطة "جافة"، رغم أن السائل لم يختفِ في أي مكان.
في رواية جريج إيغان "مدينة التبديلات"، تتبادل الكائنات الاصطناعية المعلومات عبر بنى توبولوجية معقدة؛ هنا، البكتيريا التي تتضافر في ضفائر تسجل حرفيًا توبولوجيا حركتها في هندسة التدفق.