Fuera de la imaginación de los profesores de física, los dispositivos sin fricción son difíciles de conseguir. Pero al poner un grupo de bacterias nadadoras en una gota de agua se consigue precisamente eso: un fluido con cero resistencia al movimiento. Increíblemente, esa resistencia (o viscosidad, como se conoce propiamente) puede ser incluso negativa, creando un líquido autopropulsado que podría, por ejemplo, hacer girar un motor de una forma que parece desafiar las leyes de la termodinámica. Un trabajo reciente explica cómo las bacterias conspiran para conseguir lo improbable.

«Para un fluido normal es imposible porque todo sería inestable», afirma Aurore Loisy, física de la Universidad de Bristol (Reino Unido) y coautora de uno de los nuevos estudios, «pero para las bacterias, de alguna manera, funciona».

Los físicos llevan mucho tiempo soñando con conseguir algo a cambio de nada, aunque sólo sea en extravagantes experimentos mentales. En la década de 1860, James Maxwell conjuró un demonio omnisciente que podía desviar las moléculas de aire rápidas a un lado de una habitación y las moléculas lentas al otro, creando una diferencia de temperatura que podría alimentar un motor. Con algo más de sentido práctico, en 1962 Richard Feynman disertó sobre un engranaje microscópico que, al ser empujado por las moléculas de aire, giraría en una sola dirección, impulsando un motor. Pero tales ideas se ven frustradas por la Segunda Ley de la Termodinámica, que insiste en que la ordenación o el giro deben generar un calor que condena ambos esquemas. Como dijo el poeta Allen Ginsberg, no se puede ganar, y no se puede llegar a un punto de equilibrio.

Recientemente, se han ido acumulando pruebas de que, si bien un almuerzo gratis está fuera de la mesa, un bocadillo barato podría ser factible con un sistema construido alrededor de un fluido vivo. Las rarezas experimentales comenzaron a salir a la luz en 2015, cuando un equipo francés confirmó que las soluciones de E. coli y agua podían volverse antinaturalmente resbaladizas. Al intercalar una gota entre dos pequeñas placas, registraron la fuerza necesaria para hacer que una de ellas se deslizara a cierta velocidad. Los líquidos suelen ser más difíciles de remover, o más viscosos, cuando contienen más partículas en suspensión (pensemos en el agua frente al barro), pero lo contrario resulta ser cierto cuando las partículas pueden nadar. Cuando la solución tenía alrededor de medio porcentaje de E. coli en volumen, mantener la placa en movimiento no requería ninguna fuerza, lo que indicaba una viscosidad nula. Algunos ensayos incluso registraron una viscosidad negativa, cuando los investigadores tuvieron que aplicar un poco de fuerza contra el movimiento de las placas para evitar que se aceleraran. El líquido realizaba trabajo, lo que para cualquier fluido inerte habría supuesto una violación de la Segunda Ley.

La conclusión directa fue que los organismos nadaban de una manera que neutralizaba la fricción interna de la solución para producir algo parecido a un superfluido, un líquido con resistencia cero. La aparente violación de la termodinámica era una ilusión porque las bacterias hacían el trabajo para compensar o superar la viscosidad.

«Cada bacteria individual es extremadamente débil, pero la unión hace la fuerza», dijo Jörn Dunkel, matemático del Instituto Tecnológico de Massachusetts que no participó en el experimento.

Pero las E. coli no suelen nadar todas en la misma dirección, por lo que investigaciones posteriores han tratado de averiguar qué podría estar coordinando sus movimientos. Una respuesta, según una investigación publicada en julio en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences, son las interacciones entre los individuos.

«Cuando hay una alta densidad, empiezan a formar un enjambre», dijo Xiang Cheng, físico de la Universidad de Minnesota y coautor del artículo. Pero, a diferencia de los bancos de peces y las bandadas de pájaros, el enjambre de E. coli está impulsado puramente por sus características físicas, no por una respuesta animada.

El montaje de los investigadores se parecía al del equipo francés, pero un microscopio adjunto les permitía seguir el comportamiento de las bacterias. Efectivamente, cuando el cóctel de E. coli alcanzaba entre el 10 y el 20 por ciento de bacterias por volumen, se formaban remolinos. A medida que las bacterias surcaban el agua, que a escala microscópica parece miel, producían ondas de choque que sacudían a sus compañeras tanto de cerca como de lejos.

«Es un poco como si hubiera muchas estrellas en una galaxia y pudieran afectarse unas a otras», dijo Dunkel. Esas fuerzas animaron a grupos locales de E. coli nadadoras a alinear sus cuerpos en forma de píldora.

Después, el movimiento de las placas hace que ese comportamiento local sea global. Al arrastrar la placa superior, las fuerzas de cizallamiento ondulan a través del fluido, lo que en efecto organiza y orienta los enjambres.

«Sin cizallamiento, la dirección de los enjambres es aleatoria», dijo Cheng. «Una vez que la influencia de las placas ayuda a las bacterias a alinearse, su natación empuja el agua y genera flujos locales que transforman las propiedades de la solución a gran escala.

Los resultados experimentales de Cheng coinciden en gran medida con un nuevo modelo teórico, publicado una semana antes en Physical Review Letters. Con el objetivo de desarrollar un marco matemático que describiera el experimento de 2015, los investigadores modificaron las ecuaciones utilizadas para los cristales líquidos con nuevos términos que dieran cuenta de la actividad de las bacterias.

Su teoría reproducía las viscosidades bajas y negativas observadas en los experimentos y también predecía que las bacterias podían orientarse colectivamente en múltiples patrones estables bajo la presión de las placas.

«Se descubre que en realidad hay dos estados posibles, dos soluciones de equilibrio posibles», dijo Loisy.

Dunkel comparó el efecto con sostener un trozo de papel por sus bordes superior e inferior y juntar las manos: A medida que el papel se dobla, lo hace en forma de C o de S. Luego es improbable que cambie de una de esas dos configuraciones hasta que se suelte. El trabajo de Cheng también sugiere dos orientaciones a gran escala, pero espera que ambas estén presentes simultáneamente en diferentes grupos de bacterias, y que el comportamiento observado represente una media.

Los detalles sobre cómo estos efectos contribuyen al comportamiento superfluido colectivo están por resolver, pero nadie discute que la transferencia de energía de lo microscópico a lo visible es real, y peculiar.

«Normalmente no se puede hacer esto. No se puede alimentar un motor con un fluido», dijo Loisy.

Pero con la energía bacteriana, aparentemente, sí se puede.

«Si se tuvieran suficientes bacterias en la configuración adecuada, se podría conseguir que movieran estructuras», dijo Dunkel, lo que plantea la tentadora posibilidad de aprovechar el movimiento de las placas para hacer girar una turbina.

Además de impulsar un motor muy pequeño a la velocidad de una bacteria, otras aplicaciones potenciales incluyen «líquidos inteligentes» que podrían infiltrarse en canales subterráneos para forzar la salida de petróleo o contaminantes, según Harold Auradou, físico de la Universidad de París-Sud y coautor del artículo de 2015.

Por supuesto, a todas luces, las leyes de la termodinámica siguen en plena vigencia.

«No están haciendo nada mágico aquí», dijo Loisy.

Dos factores permiten que las soluciones bacterianas tengan éxito donde los demonios y los microengranajes no lo tienen. En primer lugar, las E. coli actúan como pequeños motores, metabolizando la energía del azúcar y el oxígeno del agua. Para mantenerlas en movimiento, los investigadores tienen mucho cuidado de conseguir el equilibrio justo de nutrientes. Si son demasiado pocos, se mueren de hambre. Demasiado, y se vuelven perezosas.

«Son como los humanos», dijo Cheng riendo.

Pero toda la energía del mundo no servirá de nada si está demasiado distribuida o desorganizada. Un sistema necesita asimetría para llevar la energía de un lugar a otro. Los motores térmicos necesitan un fluido caliente y otro frío, por ejemplo, y las turbinas hidroeléctricas necesitan que el agua fluya de un lugar alto a otro bajo. En el caso de las bacterias, todo se reduce a su forma alargada, que responde a las fuerzas del agua.

«Sólo el hecho de que se alineen, de que haya una dirección preferida, rompe la simetría», dijo Loisy. «Si fueran esféricas no funcionaría»

Este artículo ha sido reproducido en Investigacionyciencia.es.