Uden for fysiklærernes fantasi er det svært at finde gnidningsfri anordninger. Men ved at putte en flok svømmende bakterier i en dråbe vand opnår man netop dette: en væske med nul modstand mod bevægelse. Utroligt nok kan denne modstand (eller viskositet, som det hedder korrekt) endda blive negativ, hvilket skaber en selvkørende væske, der f.eks. kan dreje en motor på en måde, der synes at trodse termodynamikkens love. I nyere arbejde forklares det, hvordan bakterier konspirerer for at opnå det usandsynlige.

“For en normal væske er det umuligt, fordi det hele ville være ustabilt,” siger Aurore Loisy, fysiker ved University of Bristol i Det Forenede Kongerige og medforfatter til en af de nye undersøgelser, “men for bakterier virker det på en eller anden måde.”

Fysikere har længe drømt om at få noget for ingenting, selv om det kun er i skæve tankeeksperimenter. I 1860’erne fremtryllede James Maxwell en alvidende dæmon, der kunne shunte hurtige luftmolekyler til den ene side af et rum og langsomme molekyler til den anden, hvilket skabte en temperaturforskel, der kunne drive en motor. I 1962 holdt Richard Feynman et lidt mere praktisk foredrag om et mikroskopisk tandhjul, der, når luftmolekylerne rykkede det, kun drejede i én retning og drev en motor. Men sådanne ideer bliver ødelagt af termodynamikkens anden lov, som insisterer på, at sorteringen eller drejningen skal generere varme, som fordømmer begge planer. Som digteren Allen Ginsberg udtrykte det, kan man ikke vinde, og man kan heller ikke få et overskud.

Der er for nylig kommet flere og flere beviser for, at selv om en gratis frokost er udelukket, kan en billig snack måske lade sig gøre med et system, der er bygget op omkring en levende væske. Eksperimentelle mærkværdigheder begyndte at dukke op i 2015, da et fransk hold bekræftede, at opløsninger af E. coli og vand kunne blive unaturligt glatte. Ved at indlemme en dråbe mellem to små plader registrerede de den kraft, der var nødvendig for at få den ene plade til at glide ved en bestemt hastighed. Væsker bliver normalt sværere at omrøre eller mere tyktflydende, når de indeholder yderligere suspenderede partikler (tænk vand vs. mudder), men det modsatte viser sig at være tilfældet, når partiklerne kan svømme. Da opløsningen var omkring en halv volumenprocent E. coli, krævede det slet ingen kraft at holde pladen i bevægelse, hvilket indikerer nul viskositet. Nogle forsøg registrerede endda en negativ viskositet, hvor forskerne måtte anvende en smule kraft mod pladernes bevægelse for at forhindre dem i at blive hurtigere. Væsken udførte arbejde, hvilket for enhver inaktiv væske ville have betydet en overtrædelse af den anden lov.

Den direkte konklusion var, at organismerne svømmede på en måde, der neutraliserede opløsningens indre friktion for at frembringe noget, der ligner en superfluid, en væske med nul modstand. Den tilsyneladende overtrædelse af termodynamikken var en illusion, fordi bakterierne udførte arbejdet for at udligne eller overvinde viskositeten.

“Hver enkelt bakterie er ekstremt svag, men der er styrke i antal,” sagde Jörn Dunkel, en matematiker ved Massachusetts Institute of Technology, som ikke var involveret i eksperimentet.

Men E. coli svømmer typisk ikke alle i samme retning, så efterfølgende forskning har forsøgt at finde ud af, hvad der kan koordinere deres bevægelser. Et svar, ifølge forskning offentliggjort i juli i Proceedings of the National Academy of Sciences, er interaktionerne mellem individer.

“Når du har en høj tæthed, begynder de at sværme,” siger Xiang Cheng, fysiker ved University of Minnesota og medforfatter til artiklen. Men i modsætning til den sværm, der ses i fiskeskoler og fugleflokke, er E. coli’s sværm udelukkende drevet af deres fysiske egenskaber, ikke en animeret reaktion.

Forskerens opsætning lignede det franske holds, men et fastmonteret mikroskop gjorde det muligt for dem at følge bakteriernes adfærd. Det var helt sikkert, at når E. coli-cocktailen nåede op på 10 til 20 procent bakterier i forhold til volumen, dannedes der hvirvler. Da bakterierne pløjede gennem vandet, som føles honningtyndt på deres mikroskopiske skala, producerede de chokbølger, der kastede sig over deres ledsagere både tæt på og langt væk.

“Det er lidt ligesom hvis man har en masse stjerner i en galakse, og de kan påvirke hinanden,” sagde Dunkel. Disse kræfter tilskyndede lokale grupper af svømmende E. coli til at tilpasse deres pilleformede kroppe.

Så gør pladernes bevægelse denne lokale adfærd global. Trækker man den øverste plade, sender man skubningskræfter, der bølger gennem væsken, hvilket i realiteten organiserer og orienterer sværmene.

“Uden skubning er sværmens retning tilfældig,” sagde Cheng. “Under forskydning får man en tendens til at få alle bakterierne til at stille sig op i bestemte retninger.”

Når pladernes indflydelse hjælper bakterierne med at sætte sig i en gennemsnitlig retning, skubber deres svømning på vandet og genererer lokale strømninger, der ændrer opløsningens egenskaber på stor skala.

Chengs eksperimentelle resultater er stort set i overensstemmelse med en ny teoretisk model, der blev offentliggjort blot en uge tidligere i Physical Review Letters. Med det formål at udvikle en matematisk ramme til at beskrive eksperimentet fra 2015 modificerede forskerne ligninger, der anvendes for flydende krystaller, med nye termer, der tager højde for bakteriernes aktivitet.

Deres teori reproducerede de lave og negative viskositeter, der blev set i eksperimenterne, og forudsagde også, at bakterierne kollektivt kunne orientere sig i flere stabile mønstre under trykket fra pladerne.

“Man finder ud af, at man faktisk har to mulige tilstande, to mulige ligevægtsløsninger,” sagde Loisy.

Dunkel sammenlignede effekten med at holde et stykke papir langs dets øverste og nederste kanter og føre hænderne sammen: Når papiret bøjes, foldes det i enten en C- eller en S-form. Det er derefter usandsynligt, at det ændrer sig fra en af disse to konfigurationer, indtil det slippes. Chengs arbejde tyder også på to store orienteringer, men han forventer, at begge er til stede samtidig i forskellige grupper af bakterier, og at den observerede adfærd repræsenterer et gennemsnit.

Detaljer om, hvordan disse effekter bidrager til den kollektive superfluidiske adfærd, skal stadig udarbejdes, men ingen bestrider, at overførslen af energi fra det mikroskopiske til det synlige er reel og ejendommelig.

“Normalt kan man ikke gøre dette. Man kan ikke drive en motor med en væske,” sagde Loisy.

Men med bakterieenergi kan man tilsyneladende godt.

“Hvis man havde nok bakterier i den rigtige opsætning, kunne man faktisk få dem til at flytte strukturer rundt,” sagde Dunkel, hvilket rejser den fristende mulighed for at udnytte pladernes bevægelse til at dreje en turbine.

Ud over at drive en meget lille motor med bakteriehastighed omfatter andre potentielle anvendelser “intelligente væsker”, der kan infiltrere underjordiske kanaler for at tvinge olie eller forurenende stoffer ud, ifølge Harold Auradou, fysiker ved University of Paris-Sud og medforfatter til artiklen fra 2015.

Naturligvis er termodynamikkens love efter alt at dømme fortsat fuldt ud gældende.

“Du gør ikke noget magisk her,” sagde Loisy.

To faktorer lader bakterieløsningerne lykkes, hvor dæmoner og mikrogear ikke gør det. For det første fungerer E. coli’erne selv som små motorer, der metaboliserer energi fra sukker og ilt i vandet. For at holde dem i gang er forskerne meget omhyggelige med at få balancen mellem næringsstofferne til at være helt rigtig. For lidt, og de sulter. For meget, og de bliver dovne.

“De er ligesom mennesker,” siger Cheng med et grin.

Men al energi i verden hjælper ikke, hvis den er for jævnt fordelt eller for uorganiseret. Et system har brug for asymmetri for at lokke energi fra et sted til et andet. Varmemotorer kræver f.eks. en varm væske og en kold væske, og vandkraftturbiner har brug for vand, der strømmer fra et højt sted til et lavt sted. For bakterier er det deres aflange form, som reagerer på kræfterne i vandet.

“Alene det faktum, at de er på linje, at der er en foretrukken retning, bryder symmetrien,” sagde Loisy. “Hvis de var kugleformede, ville det ikke fungere.”

Denne artikel blev genoptrykt på spansk på Investigacionyciencia.es.