Mimo představy učitelů fyziky se zařízení bez tření objevují jen těžko. Ale když do kapky vody vložíte hromadu plovoucích bakterií, dosáhnete právě toho: tekutiny s nulovým odporem při pohybu. Je neuvěřitelné, že tento odpor (neboli viskozita, jak se správně říká) může být dokonce záporný, čímž vznikne samohybná kapalina, která by mohla například roztáčet motor způsobem, který zdánlivě odporuje zákonům termodynamiky. Nejnovější práce vysvětluje, jak bakterie konspirují, aby dokázaly neuvěřitelné.

„U normální kapaliny je to nemožné, protože celá věc by byla nestabilní,“ řekla Aurore Loisy, fyzička z Bristolské univerzity ve Velké Británii a spoluautorka jedné z nových studií, „ale u bakterií to nějak funguje.“

Fyzikové už dlouho sní o tom, že získají něco zadarmo, i když jen v obskurních myšlenkových experimentech. V 60. letech 19. století James Maxwell vykouzlil vševědoucího démona, který dokázal přesunout rychlé molekuly vzduchu na jednu stranu místnosti a pomalé molekuly na druhou, čímž vytvořil teplotní rozdíl, který mohl pohánět motor. O něco praktičtější byla přednáška Richarda Feynmana z roku 1962 o mikroskopickém ozubeném kole, které se po roztlačení molekulami vzduchu otáčí pouze jedním směrem a pohání motor. Takové nápady jsou však zmařeny druhým termodynamickým zákonem, který trvá na tom, že třídění nebo otáčení musí vytvářet teplo, které obě schémata odsoudí k zániku. Jak řekl básník Allen Ginsberg, nemůžete vyhrát a nemůžete prorazit.

Nedávno se objevily důkazy, že zatímco oběd zdarma je vyloučen, levná svačina by mohla být proveditelná se systémem postaveným kolem živé tekutiny. Experimentální podivnosti se začaly objevovat v roce 2015, kdy francouzský tým potvrdil, že roztoky E. coli a vody mohou nepřirozeně klouzat. Vložili kapku mezi dvě malé destičky a zaznamenali sílu potřebnou k tomu, aby jedna destička klouzala určitou rychlostí. Kapaliny se obvykle hůře míchají nebo jsou viskóznější, když obsahují další suspendované částice (představte si vodu vs. bahno), ale ukazuje se, že opak je pravdou, když částice mohou plavat. Když bylo v roztoku asi půl objemového procenta E. coli, nevyžadovalo udržování desky v pohybu žádnou sílu, což svědčí o nulové viskozitě. Při některých pokusech byla dokonce zaznamenána záporná viskozita, kdy výzkumníci museli vyvinout trochu síly proti pohybu destiček, aby jim zabránili zrychlit. Kapalina konala práci, což by pro jakoukoli inertní kapalinu znamenalo porušení druhého zákona.

Přímý závěr byl, že organismy plavaly způsobem, který neutralizoval vnitřní tření roztoku a vytvářel něco jako supratekutinu, kapalinu s nulovým odporem. Zdánlivé porušení termodynamiky bylo iluzí, protože bakterie vykonávaly práci, aby vyrovnaly nebo překonaly viskozitu.

„Každá jednotlivá bakterie je extrémně slabá, ale v počtu je síla,“ řekl Jörn Dunkel, matematik z Massachusettského technologického institutu, který se na experimentu nepodílel.

Ale E. coli obvykle neplavou všechny stejným směrem, takže následný výzkum se snažil zjistit, co by mohlo koordinovat jejich pohyb. Jednou z odpovědí jsou podle výzkumu publikovaného v červenci v Proceedings of the National Academy of Sciences interakce mezi jednotlivci.

„Když máte vysokou hustotu, začnou se rojit,“ řekl Xiang Cheng, fyzik z Minnesotské univerzity a spoluautor článku. Ale na rozdíl od rojení, které můžeme pozorovat u hejn ryb nebo hejn ptáků, je rojení E. coli poháněno čistě jejich fyzikálními vlastnostmi, nikoliv animální reakcí.

Zařízení vědců se podobalo zařízení francouzského týmu, ale připojený mikroskop jim umožnil sledovat chování bakterií. Jisté je, že když koktejl E. coli dosáhl 10 až 20 objemových procent bakterií, vytvořily se víry. Jak se bakterie prodíraly vodou, která jim v mikroskopickém měřítku připadá hustá jako med, vytvářely rázové vlny, které bičovaly jejich blízké i vzdálené souputníky.

„Je to trochu podobné, jako když máte v galaxii spoustu hvězd a ty se mohou navzájem ovlivňovat,“ řekl Dunkel. Tyto síly podnítily lokální skupiny plovoucích bakterií E. coli, aby svá těla ve tvaru pilulek srovnaly do jedné linie.

Poté pohyb desek způsobí, že toto lokální chování se stane globálním. Tažením horní desky se v tekutině rozvlní smykové síly, které ve skutečnosti organizují a orientují roje.

„Bez smyku je směr rojení náhodný,“ řekl Cheng. „Při střihu se objeví tendence, aby se všechny bakterie seřadily v určitých směrech.“

Jakmile vliv desek pomůže bakteriím usadit se do průměrného uspořádání, jejich plavání tlačí na vodu a vytváří lokální proudění, které mění vlastnosti roztoku ve velkém měřítku.

Chengovy experimentální výsledky jsou do značné míry v souladu s novým teoretickým modelem, který byl publikován jen o týden dříve v časopise Physical Review Letters. S cílem vytvořit matematický rámec pro popis experimentu z roku 2015 vědci upravili rovnice používané pro kapalné krystaly o nové členy zohledňující aktivitu bakterií.

Jejich teorie reprodukovala nízké a záporné viskozity pozorované v experimentech a také předpověděla, že bakterie se mohou pod tlakem destiček kolektivně orientovat ve více stabilních vzorcích.

„Zjistíte, že vlastně máte dva možné stavy, dvě možná rovnovážná řešení,“ řekl Loisy.

Dunkel přirovnal tento efekt k držení listu papíru podél jeho horního a dolního okraje a přiložení rukou k sobě: Když se papír ohýbá, skládá se buď do tvaru písmene C, nebo S. Je pak nepravděpodobné, že by se z jedné z těchto dvou konfigurací změnil, dokud není uvolněn. Chengova práce také naznačuje dvě velkoplošné orientace, ale předpokládá, že obě jsou přítomny současně v různých skupinách bakterií a pozorované chování představuje průměr.

Podrobnosti o tom, jak tyto efekty přispívají ke kolektivnímu supratekutému chování, je třeba ještě rozpracovat, ale nikdo nezpochybňuje, že přenos energie z mikroskopického do viditelného je skutečný a zvláštní.

„Obvykle to nejde. Nemůžete pohánět motor pomocí kapaliny,“ řekl Loisy.

Ale s energií bakterií to zřejmě jde.

„Kdybyste měli dostatek bakterií ve správném uspořádání, mohli byste je skutečně přimět, aby pohybovaly strukturami,“ řekl Dunkel, což vyvolává lákavou možnost využití pohybu destiček k roztočení turbíny.

Podle Harolda Auradoua, fyzika z Univerzity Paris-Sud a spoluautora článku z roku 2015, patří k dalším možným aplikacím kromě pohonu velmi malého motoru rychlostí bakterií také „chytré kapaliny“, které by mohly pronikat do podzemních kanálů a vytlačovat ropu nebo znečišťující látky.

Podle všeho ovšem zákony termodynamiky zůstávají v plné platnosti.

„Neděláte tu nic zázračného,“ řekl Loisy.

Dva faktory umožňují bakteriálním řešením uspět tam, kde démoni a mikročáry ne. Za prvé, E. coli samy fungují jako malé motory, které metabolizují energii z cukru a kyslíku ve vodě. Aby byly v pohybu, věnují vědci velkou péči správné rovnováze živin. Když je jich málo, začnou hladovět. Příliš mnoho, a zleniví.

„Jsou jako lidé,“ řekl Cheng se smíchem.

Ale všechna energie světa nepomůže, pokud je příliš hladce rozdělena nebo příliš neorganizovaná. Systém potřebuje asymetrii, aby dokázal přemluvit energii z jednoho místa na druhé. Například tepelné motory potřebují horkou a studenou kapalinu a vodní turbíny potřebují vodu proudící z vysokého místa do nízkého. U bakterií jde o jejich protáhlý tvar, který reaguje na síly ve vodě.

„Už jen to, že se vyrovnávají, že existuje preferovaný směr, narušuje symetrii,“ řekl Loisy. „Kdyby byly kulovité, nefungovalo by to.“

Tento článek byl přetištěn ve španělštině na webu Investigacionyciencia.es.

.