Ученые НИЯУ МИФИ математически описали поведение колоний бактерий

Исследователи НИЯУ МИФИ изучили поведение бактериальных колоний с математической точки зрения. Они установили, что случайное распределение бактерий со временем трансформируется в периодическую волну, а затем переходит в стационарную уединенную волну. Результаты исследования опубликованы в высокорейтинговом научном журнале Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation. 

Ученые из разных стран изучают закономерности распространения бактерий в пространстве, чтобы анализировать и прогнозировать их поведение. Была даже предложена концепция «микробного интеллекта», которая рассматривает определенные аспекты адаптивного, альтруистического или кооперативного поведения групп микроорганизмов.

Известно, что для выживания во враждебной среде бактерии выработали ряд адаптивных механизмов. Среди них хемотаксис – смещенное движение бактерий, когда они подвергаются воздействию химического раздражителя, и фототаксис – направленное движение микроорганизмов в ответ на воздействие света.

Модели хемотаксиса и фототаксиса в большинстве случаев являются сильно нелинейными и, как правило, не имеют общих решений, поэтому для изучения их динамического поведения нужно использовать методы математического моделирования и специальные методы построения аналитических решений, рассказал заведующий кафедрой прикладной математики НИЯУ МИФИ Николай Кудряшов.

«Мы разработали математическую модель, которая описывает поведение бактериальных колоний с учетом дисперсионных процессов. Для этого мы применили новый подход построения точных решений обобщенной модели Чави-Вадди-Колокольникова. Суть нового метода заключается в использовании двух простых уравнений, которые позволяют искать уединенные и периодические решения», – рассказал он.

Николай Кудряшов, совместно с сотрудниками своей кафедры Александром Кутуковым и Софией Лавровой исследовали различные особенности формирования бактериальных колоний из исходного белого шума. Они установили, что движение бактериальных колоний зависит от взаимодействия бактерий, которое определяется сложным нелинейным выражением, а также от их размножения и дисперсионных и диссипативных процессов.

«Новизна нашей работы состоит в том, что нам удалось получить зависимость стационарных (установившихся) состояний бактериальных колоний в виде аналитического выражения и подтвердить эти состояния с помощью численного моделирования. Мы установили, что даже при начальном состоянии бактерий в виде случайного расположения бактерий с течением времени происходит их кластеризация и образование определенных структур», – отметил Николай Кудряшов.

По его словам, микробиологи смогут воспользоваться результатами исследования при анализе результатов наблюдений за поведением бактериальных колоний.  

Исследования выполнены при поддержке Российского научного фонда.

Об исследовании сообщила газета «Московский комсомолец».

Справочно:

Кудряшов Николай Алексеевич – российский математик и физик-теоретик, доктор физико-математических наук, профессор. Заслуженный деятель науки Российской Федерации, лауреат Государственной премии СССР, лауреат премии Правительства Российской Федерации в области образования. Заведующий кафедрой прикладной математики НИЯУ МИФИ.

Кутуков Александр Алексеевич – ассистент и младший научный сотрудник кафедры прикладной математики НИЯУ МИФИ, выпускник НИЯУ МИФИ, автор образовательной программы «Математические и компьютерные методы в научных исследованиях».

Лаврова София Федоровна –  ассистент и младший научный сотрудник кафедры прикладной математики НИЯУ МИФИ, выпускник НИЯУ МИФИ.