Бактерия в капле воды ищет пищу. Вокруг неё — химический градиент: молекул еды больше в одной стороне, меньше в другой. Как двигаться, чтобы быстрее добраться до сытного места? Можно плавно подруливать, как велосипедист, объезжающий лужу. А можно — как бактерия — периодически останавливаться, кувыркаться и плыть в случайную сторону.
Учёные задались вопросом: почему бактерии выбрали второй, на вид несуразный способ? Они смоделировали поиск как задачу: как быстрее всего подняться по градиенту, если в единицу времени доступно лишь ограниченное количество информации о направлении. Оказалось, что без точного знания, куда поворачивать, дискретные действия — рывки и кувырки — выигрывают у плавного руления. Когда информации мало, выгодно разворачиваться на 180 градусов: если плыл не туда, быстро вернёшься. Когда информации больше, оптимальны полные кувырки со случайным новым направлением. А при ещё большем объёме данных лучшей стратегией становятся повороты на несколько фиксированных углов.
Этот результат — не только про микробов. Он показывает, как природа часто выбирает простые дискретные решения, хотя лежащая в основе физика непрерывна. Бактерия не вычисляет идеальную траекторию, а действует по простому правилу: «плыви, пока не станет хуже, потом кувыркнись». И такое правило оказывается почти оптимальным для жизни в мутной воде.
Кишечная палочка при поиске пищи совершает кувырок примерно раз в секунду, а каждый кувырок меняет направление на случайный угол.