Fysiikassa “mesoskaala” sijoittuu mikroskooppisen ja makroskooppisen maailman väliin. Sitä asuttavat esimerkiksi pienet toukat, katkaravut ja meduusat. Mesoskaala kiinnostaa fyysikoita, koska siellä makroskooppinen kitkavoima kohtaa mikroskooppisen, nesteen sisäisen kitkan eli viskositeetin tavalla, joka vaatii kokonaan uudenlaisia yhtälöitä sen selittämiseen.
Nyt Aalto-yliopiston teknillisen fysiikan laitoksen tutkijat ovat selvittäneet miten eliöt uivat mesoskaalan kitkan ja viskositeetin välimaastossa. Tutkimus julkaistiin hiljattain Communications Physics -lehdessä.
Apulaisprofessori Matilda Backholmin johtama poikkitieteellinen tutkimusryhmä sai selville, että mesoskaalan uimarista ei tule nopeampaa vain liikkumalla nopeammin tai kasvamalla suuremmaksi. Sen sijaan ratkaisevaa on niin sanottu aikasymmetrian rikkominen eli liikkeen epäsymmetrisyys ajassa.
Löytö paikkaa aukkoa mesoskaalan voimien ymmärryksessä, mutta se voi myös mahdollistaa potilaan kehon sisään tunkeutuvat “mesorobotit”. Lääketieteessä niitä voitaisiin käyttää esimerkiksi lääkkeiden annosteluun tai erilaisiin leikkauksiin.
Tutkimuksessa tarkasteltiin Artemia-äyriäisiä, noin 400–1 500 mikrometrin kokoisia “mesoeliöitä”. Tarkoitus oli mitata näiden alkeellisten äyriäisten uimisliikkeeseen vaikuttavia fysikaalisia voimia.
“Artemia venyttää uidessaan nivelmäistä antenniaan, jonka liikkeen ääriviiva muistuttaa kahdeksikkoa. Päätimme mitata juuri tätä liikerataa”, kertoo väitöskirjatutkija Sharadhi Nagaraja.
Tutkijat havaitsivat, että antennin piirtämä kahdeksikko lisäsi Artemian liikkumiseen vapautta, ja osoitti samalla, että eliö rikkoo omaa aikasymmetriaansa, joka on mikroskooppista liikettä kuvaava fysiikan käsite.
“Aikasymmetrian rikkominen tarkoittaa sitä, että esimerkiksi uivista bakteereista kuvattu elokuva näyttää erilaiselta, jos elokuvan katsoo takaperin. Mikroskooppinen uimari ei ilman tätä pysty liikkumaan eteenpäin, sillä se on olennainen vaatimus viskositeettisessa nestedynamiikassa. Mesoskaalassaa tämä ei ole kuitenkaan välttämätöntä”, Matilda Backholm sanoo.
Artemian ei siis tarvitsisi rikkoa aikasymmetriaa uidakseen mesoskaalassa, mutta ne tekevät sen silti.
“Saimme selville, että mitä enemmän Artemia rikkoo aikasymmetriaa, sen paremmin ne uivat. Tätä ei kukaan ole aikaisemmin elävien eliöiden kohdalla mitannut”, Backholm lisää.
Backholmin johtama ryhmä otti tuhansia kuvia Artemian liikkeestä ja analysoi niitä koneoppimistyökaluilla. Eliöiden käsittely vaati fyysikoiden ja biologien yhdistettyä asiantuntemusta. Lisäksi tutkimukseen tarvittiin Backholmin kehittämää ainutlaatuista, lasista mikropipettivoima-anturia.
“Mikropipetti on erinomainen työkalu elävien mesoskaalan eliöiden uimiseen liittyvien fysikaalisten voimien äärimmäisen tarkkaan mittaamiseen, koska se ei vahingoita eliöitä ja se antaa meille samaan aikaan tietoa sekä voimista että itse eliön liikkeistä”, tutkijatohtori Rafael Ayala Lara kuvailee.
Backholmin mukaan mesoskaalan uimisen ymmärtäminen voi jatkossa auttaa rakentamaan ja ohjelmoimaan niin sanottuja mesorobotteja esimerkiksi lääketieteelliseen käyttöön.
“Tarkoitus on että nämä robotit voisivat annostella lääkkeitä suoraan ihmiskehon sisällä; esimerkiksi viemällä lääkkeen suoraan syöpäkasvaimeen sen sijaan, että se vaikuttaa koko kehoon. Mesorobotit voisivat myös kuljettaa kerralla suurempia lääkemääriä kuin mikroskooppiset robotit”, Backholm sanoo.
Mesorobotiikassa tiede tulee kuitenkin auttamattomasti luontoa jäljessä.
“Luonto on selvittänyt nämä asiat jo kauan sitten: evoluutio on vuosimiljoonien saatossa tehnyt pieneliöistä todella tehokkaita uimareita. Mutta ihmiset ovat ihan vasta hiljattain alkaneet ymmärtää, miten ne toimivat”, Backholm muistuttaa.
We develop new experimental and analytical tools to probe the dynamics and flow in mesoscale living, fluid, and soft systems. Our curiosity-driven research aims for discoveries in soft matter physics and at the interface between physics and biology.
Matilda Backholm pyrkii määrittämään monimutkaisen liikkumiskäyttäytyminen omaavan suolakatkaravun fysiikkaa. Löydösten avulla voidaan kehittää esimerkiksi ”nieltävää kirurgiaa”.
