У живій конденсованому середовищі існують особливі фазові переходи • Ігор Іванов • Новини науки на "Елементи" • Фізика, Екологія

У живій конденсованому середовищі існують особливі фазові переходи

Мал. 1. Різке випадання в осад "живий конденсованого середовища" при зниженні рівня активності нижче критичної позначки. Окремі стовпчики показують різні моменти часу, концентрація частинок закодована кольором. Нижні 5% від всієї глибини водойми не показані для зручності колірного кодування. Мал. з обговорюваної статті вPhysical Review Letters

Британські фізики, побудувавши і вивчивши модель «живої конденсованого середовища», виявили в ній характерні фазові переходи. Ця теоретична конструкція може стати в нагоді при описі колоній мікроорганізмів в реальних природних екосистемах.

У природі часто зустрічаються системи, які складаються з величезної кількості однотипних об'єктів, що взаємодіють один з одним за деякими простим законам. Завдяки взаємодії між об'єктами вся система в цілому починає вести себе цікавим, іноді несподіваним чином. Такі системи (вони називаються конденсованими середовищами) можуть бути найрізноманітнішими: це і звичайна речовина (тобто просто набір молекул), і сипучі середовища, і транспортні потоки і навіть паніку натовп. Але у всіх у них є одне універсальне властивість: в них існують фазові переходи – різкі перетворення системи в цілому, викликані плавним зміною зовнішніх умов.

У статті англійських фізиків, опублікованій недавно в журналі Physical Review Letters, Розповідається ще про одну конденсованому середовищі і про новий тип фазових переходів в ній. це «Жива конденсована середовище», Що складається з частинок (наприклад, бактерій), які можуть розмножуватися і вмирати. Теоретичні розрахунки британців показали, що «жвавість» такої системи цілком можна розглядати як новий фізичний параметр, і тоді її поведінку вдається описати методами фізики конденсованих середовищ.

У конкретної моделі, розглянутої авторами, вивчалася суспензія часток у воді. Кожна частинка (бактерія) під дією броунівського руху може безладно кидатися в рідини. Однак для «живої» частинки це рух передбачалося набагато більш інтенсивним, ніж для «мертвої» (експерименти зі спостереження за реальними бактеріями це підтверджують). Крім того, бралася до уваги здатність частки роздвоїтися або померти. Ймовірності цих подій передбачалися залежними від концентрації частинок в даному місці: чим вище концентрація, тим менш імовірним було розподіл і тим більш ймовірною – смерть.Нарешті, вся ця система перебувала в однорідному гравітаційному полі, так що рух вниз завжди було більш імовірним, ніж рух вгору.

Еволюція моделі, що вийшла аналізувалася покроково на дискретній просторової решітці. Спочатку виконувався крок переміщення, а потім, з деякою часткою ймовірності, відбувався етап поділу або смерті. Імовірність події ділення / смерті за одне переміщення якраз і була тим фізичним параметром, який характеризував «жвавість» конденсованого середовища.

Чисельне моделювання показало, що якщо «параметр жвавості» малий, то система поводиться подібно суспензії звичайних, неживих частинок. У цьому стані частки під дією сили тяжіння прагнуть осісти на дно і лише трохи коливаються поблизу нього через броунівського руху. Розподіл часток по глибині в цьому випадку показано на рис. 2, зліва. (До речі, закон розподілу неживих частинок по глибині вперше вивів не хто інший, як Альберт Ейнштейн.)

Мал. 2. Розподіл концентрації частинок по глибині ( "0" по горизонтальній осі – дно, "1" – поверхня). Зліва: малоактивні частки осіли на дно під дією сили тяжіння; праворуч: досить активні частинки рівномірно розподілені майже по всій водоймі. Мал. з обговорюваної статті вPhysical Review Letters

При поступовому підвищенні «жвавості» загальна картина спочатку особливо не змінювалася, хоча заповнена частками придонна область повільно збільшувалася. Однак коли «жвавість» перевищувала критичне значення, відбувалася різка перебудова системи. Колонія частинок «виростала» з придонної області і рівномірно заповнювала майже весь водойму (рис. 2, праворуч). В системі відбувався справжнісінький фазовий перехід, викликаний «жвавістю» середовища. Варто підкреслити різкість цього переходу: або заповнена вузька придонна область, або – весь водойму; стійкого «половинчастого» стану немає.

Для того щоб краще зрозуміти це перетворення, автори перейшли від чисельного моделювання до аналітичних рівнянь. Вирішуючи їх, вони з'ясували, що причина явища криється в протиборстві між двома швидкостями – швидкістю фронту розмноження колонії (вгору) і швидкістю осадження частинок (вниз) під дією сили тяжіння. Для малоактивною середовища хвиля розмноження була повільною і просто не встигала піднятися вгору.У активної живої середовища хвиля розмноження, навпаки, спокійно піднімалася проти сили тяжіння на всю товщу водойми. На рис. 1 показано розвиток в часі зворотного процесу – різкого випадання в осад живий конденсованого середовища, «жвавість» якої стала нижче порогового значення.

Такі різкі фазові переходи можна спробувати поспостерігати і в натурному експерименті. «Жвавістю» колонії бактерій можна управляти, змінюючи, наприклад, температуру або концентрацію поживних речовин. При цьому можна очікувати, що вибух росту колонії буде виглядати для стороннього спостерігача абсолютно непередбачуваним навіть при плавній зміні зовнішніх умов. Не виключено, що подібні явища відбуваються і в реальних природних екосистемах.

Автори роботи побіжно згадують і напрямки подальших досліджень. «Живий» конденсованому середовищі потрібні живильні речовини і енергія для активного руху і розмноження. Значить, можна спробувати побудувати і термодинаміку такої незвичайної середовища. Можна також врахувати і гідродинамічний аспект – адже при високій концентрації бактерій в рідини будуть виникати безладні мікротеченія, які будуть надавати зворотний вплив на бактерії.Таким чином, у фізиці конденсованого стану речовини з'являється нова цікава модель, яку корисно буде вивчити з різних сторін.

джерело: C. Barrett-Freeman et al. Nonequilibrium Phase Transition in the Sedimentation of Reproducing Particles // Physical Review Letters 101, 100602 (5 September 2008). Повний текст статті знаходиться у вільному доступі в архіві е-принтів (arXiv: 0805.4742).

Ігор Іванов


Like this post? Please share to your friends:
Залишити відповідь

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: