Chaotisch bewegende bacteriën vertonen toch collectief gedrag

Samen optrekken is in de natuur heel gewoon. Een eenzame vis maakt geen schijn van kans tegen een hongerige belager, maar een hele school vissen is een lastige prooi. Vogels gebruiken dezelfde tactiek om aan bedreigingen te ontsnappen. Zowel vissen als vogels laten collectief gedrag zien: hun individuele bewegingen zijn onderling op elkaar afgestemd, waardoor ze als een geheel gaan bewegen.

Op het niveau van cellen zijn er ook veel voorbeelden van collectief gedrag. De ontwikkeling van een embryo en het ontstaan van organen komen voort uit gecoördineerd gedrag van cellen en het doorgeven van zenuwsignalen lukt alleen als cellen gezamenlijk opereren. Omdat de cellen zorgen voor de samenwerking wordt dit ook wel zelforganisatie genoemd. In deze gevallen is er een directe relatie tussen een bepaalde fluctuatie in de cel (van een signaalstof bijvoorbeeld) en het gecoördineerde gedrag. Het gezamenlijke effect is te herleiden tot de processen in de individuele cellen die via chemische signalen of andere directe interacties op elkaar reageren.

Maar zo’n directe relatie hoeft er niet altijd te zijn. Soms moet je wat verder afstand nemen om het collectieve gedrag te herkennen. In Nature beschrijft een groep onderzoekers uit China en Frankrijk hoe in kolonies _E. coli_-bacteriën iedere afzonderlijke bacterie volstrekt chaotisch rondzwemt en door botsingen steeds abrupt van richting verandert, maar dat er toch een duidelijk gesynchroniseerde beweging te herkennen is. Door videoanalyses van de bewegingen in de kolonies zagen ze dat na verloop van tijd regelmatige patronen ontstonden in de snelheid en richting over grotere afstanden.

Vliegende robotjes

De bacteriën zijn enkele micrometers groot en op die schaal bleven de bewegingen chaotisch, maar door te kijken naar de gezamenlijke snelheid en richting op de schaal van tientallen tot honderden micrometers werd een stabiele ellipsvormige beweging zichtbaar. Een collectief effect kan dus ook ontstaan zonder dat de individuele bacteriën (of cellen) via directe interacties hun gedrag synchroniseren, aldus de onderzoekers. Dit inzicht is volgens hen heel nuttig voor uiteenlopend onderzoek naar zelf-organiserende systemen, waaronder ook robotjes die zelfstandig in groepen opereren.

Daar is Guido de Croon, universitair docent bij het Micro Air Vehicle (MAV) lab van de Technische Universiteit Delft, het mee eens. De Croon onderzoekt en ontwikkelt kleine, vliegende robots (drones) die in groepen zelfstandig kunnen opereren. Bijvoorbeeld om een gebouw te verkennen, slachtoffers te zoeken na een ramp of rijp fruit te detecteren in een kas. NEMO Kennislink vroeg hem de Nature publicatie van commentaar te voorzien.

“Ik vind het heel interessant dat er een effect op grotere schaal ontstaat, terwijl de individuele bacteriën allemaal grillig en chaotisch blijven bewegen”, zegt De Croon. “We zien hier globaal gedrag dat we niet direct kunnen herleiden tot het gedrag op individueel niveau. Voor ons onderzoek is dit relevant omdat wij werken aan groepen drones die gezamenlijk een bepaalde functie moeten uitvoeren. De grote vraag voor ons is hoe we dat gewenste globale gedrag moeten vertalen naar de besturing van onze robotjes op het lokale, individuele niveau. Wat moeten individuele robots kunnen zodat ze samen het gewenste gedrag laten zien? Hier zien we dat het gedrag op individueel niveau er niet heel geordend uit hoeft te zien.”

Waar zijn de buren?

Om een verklaring te vinden voor het gedrag van de bacteriën ontwikkelden de onderzoekers een model dat een sterk vereenvoudigde weergave van de zeer dynamische bacteriekolonie biedt. “Dat komt heel goed overeen met de experimentele observaties”, vindt De Croon. “Het model gaat ervan uit dat de bacteriën reageren op de relatieve oriëntatie van de bacteriën in hun directe omgeving. Dat zien we ook in een vlucht vogels. Dat klinkt logisch, want vogels kunnen hun buren zien en horen. Daar reageren ze op. Maar hoe ‘voelen’ bacteriën wat de snelheid en richting van hun buren is?”

NEMO Kennislink legt de vraag voor aan de auteurs van het Nature artikel. “Ons model is een ‘droog’ model, waarin we de vloeistof waarin de bacteriën zwemmen niet hebben meegenomen”, reageert Hugues Chaté van het Franse instituut CEA-Saclay. “We geven de relatieve oriëntatie weer als de hoek tussen de oriëntatie van een bacterie en de directe buren. In de kolonie ontstaan die ‘hoeken’ door de bewegingen in de vloeistof die de bacteriën opwekken met hun zwiepstaart. Dat zorgt voor allerlei lokale stromingen en draaiende bewegingen die de andere bacteriën in de buurt weer beïnvloeden. Zo kan er een afstemming in draairichting en oriëntatie ontstaan als bacteriën in elkaars stroming gaan meebewegen.”

Frequente botsingen

Daarnaast speelt ook fysiek contact mee, voegt Yilin Wu van de Universiteit van Hong Kong toe. “De bacteriën zijn staafvormig en de dichtheid in onze experimenten is heel hoog, waardoor ze doorlopend tegen elkaar botsen. Dat zorgt ook voor een voorkeursrichting in de onderlinge oriëntatie.” Bacteriën communiceren met elkaar door het uitscheiden van signaalstoffen, maar dat speelt hier geen rol. Wu: “De botsingen zijn zo frequent, dat het bepalen van een richting op basis van de gradiënt van een uitgescheiden signaalstof volstrekt nutteloos is.”