Kararlı dönen desenlerden kaotik türbülanslı akışlara kadar bakterilerin kolektif hareketi, bilim adamlarını onlarca yıldır ilgisini çekti. Bir bakteriyel sürü küçük dairesel alanda sınırlandırıldığında, kararlı dönen girdaplar oluşur. Bununla birlikte, bu sınırlı alanın yarıçapı arttıkça, organize dönen dönen desen çalkantılı bir duruma dönüşür.
Sipariş edilenden kaotik akışa geçiş uzun süredir devam eden bir gizem olarak kaldı. Sadece bakteriyel davranış çalışmasında değil, aynı zamanda türbülansın ortaya çıkışını anlamanın hem kontrol hem de karmaşık akışların kullanılması için çok önemli olduğu klasik akışkan dinamiklerinde de temel bir soruyu temsil eder.
Son zamanlarda yayınlanan bir çalışmada Ulusal Bilimler Akademisi Bildirileri 14 Mart 2025’te, Japonya’nın Tokyo Bilim Enstitüsü’nden Doçent Daiki Nishiguchi liderliğindeki bir araştırma ekibi, bakteriyel sürülerin organize hareketten kaotik akışa nasıl geçişini ayrıntılı olarak açıkladı. Büyük ölçekli deneyler, bilgisayar modelleme ve matematiksel analizleri birleştiren ekip, düzen ve türbülans arasında ortaya çıkan daha önce bilinmeyen ara durumları gözlemledi ve açıkladı.
Deneysel yaklaşımları, gelişmiş mikrofabrikasyon teknolojisini kullanarak farklı boyutlarda çok sayıda dairesel kuyu oluşturmayı ve yüksek kaliteli video görüntüleri edinmeyi ve çeşitli sınırlama koşullarında bakteriyel popülasyon davranışlarını gözlemlemelerini sağladı. Deneyler, girdap tersine çevrilmenin dengesizleşmenin ilk belirtisi olduğunu ortaya koydu; Basitçe söylemek gerekirse, hapsetme yarıçapı kritik bir boyutun ötesine geçtikçe, ilk kararlı girdap, periyodik olarak rotasyon yönlerini tersine çeviren iki rakip girdaba yol açar.
Alan büyüdükçe, bu desen nihayet tamamen gelişmiş türbülansa geçmeden önce titreşen dalgalanmalarla dört vorteks konfigürasyonuna dönüşür. Bu gözlemler, bakteriyel sürü girdaplarının hapsedilmelerindeki değişikliklerin bir sonucu olarak düzenli hareket kalıplarını nasıl kademeli olarak nasıl kaybettiklerine dair ilk ayrıntılı görüşü sunmaktadır.
Araştırma ekibi ayrıca, bu geçişlerin, hapsetme yarıçapı arttıkça kararsız hale gelen azimutal modlar adı verilen belirli matematiksel modellerin etkileşiminden kaynaklandığını ortaya koyan teorik analizler ve simülasyonlar gerçekleştirmiştir. Nishiguchi, “Bulgularımız sınırlı bakteriyel aktif maddenin evrensel özelliklerine ışık tutuyor ve diğer çeşitli biyolojik ve sentetik aktif madde sistemlerine uygulanabilir” diyor.
Deneysel gözlemleri, bilgisayar simülasyonları ve matematiksel tahminler arasındaki dikkate değer anlaşma, bu karmaşık fenomeni anlamak için kapsamlı yaklaşımlarını doğrulamaktadır.
Gelecekte, bu ilginç keşif sofistike uygulamalara çevrilebilir. Nishiguchi, “Çalışmamızda ortaya çıkan içgörüler, biyosensörler veya mikro-robotik sürüleri gibi aktif cihazlar için yeni tasarım ilkeleri sunuyor ve geometrik hapsetmelerin aktif maddenin kolektif hareketini nasıl değiştirebileceğini açıkladı.”
Ayrıca, bu yeni anlayış, kontrollü kolektif hareketten yararlanan mikroskobik bir ölçekte aktif sıvı bazlı sistemler geliştirmek için özellikle değerli olabilir.
Genel olarak, bu çalışma, bakteriyel kolonilerden kuş sürülerine ve balık okullarına kadar değişen kendi kendine tahrikli sistemlerin arkasındaki yönetim mekanizmalarına ışık tutmayı amaçlayan aktif madde fizikte önemli bir ilerlemeyi temsil etmektedir. Gelecekteki çalışmalar, dairesel hapsetmenin ötesinde farklı geometrilerdeki geçişleri karakterize etmeye ve çevresel gürültünün etkilerini ölçmeye ve aktif madde mühendisliğinde mümkün olanın sınırlarını zorlamaya odaklanacaktır.
