Fysiikan opettajien mielikuvituksen ulkopuolella kitkattomia laitteita on vaikea löytää. Mutta laittamalla joukko uivia bakteereja vesipisaraan saavutetaan juuri se: neste, jonka liikkeen vastus on nolla. Uskomatonta kyllä, tuo vastus (tai viskositeetti, kuten sitä oikein kutsutaan) voi olla jopa negatiivinen, jolloin syntyy itsestään etenevä neste, joka voisi vaikkapa pyörittää moottoria tavalla, joka näyttää uhmaavan termodynamiikan lakeja. Tuore työ selittää, miten bakteerit onnistuvat salaliitossa epätodennäköisessä.

”Tavalliselle nesteelle se on mahdotonta, koska koko juttu olisi epävakaa”, sanoo Bristolin yliopistossa Yhdistyneessä kuningaskunnassa työskentelevä fyysikko Aurore Loisy, joka on mukana yhdessä uusista tutkimuksista, ”mutta bakteereilla se jotenkin onnistuu.”

Fyysikot ovat jo pitkään haaveilleet siitä, että he saisivat jotakin tyhjästä, vaikkakin vain omituisissa ajatuskokeissa. James Maxwell loi 1860-luvulla esiin kaikkitietävän demonin, joka voisi ohjata nopeat ilmamolekyylit huoneen toiselle puolelle ja hitaat molekyylit toiselle, jolloin syntyisi lämpötilaero, joka voisi antaa virtaa moottorille. Richard Feynman esitelmöi vuonna 1962 hieman käytännöllisemmin mikroskooppisesta hammaspyörästä, joka ilmamolekyylien tönäistessä kääntyisi vain yhteen suuntaan ja pyörittäisi moottoria. Tällaiset ideat kuitenkin kaatuvat termodynamiikan toiseen lakiin, joka vaatii, että lajittelun tai kääntymisen on tuotettava lämpöä, joka tuhoaa molemmat suunnitelmat. Kuten runoilija Allen Ginsberg asian ilmaisi, ei voi voittaa eikä päästä tasoihin.

Viime aikoina on saatu yhä enemmän todisteita siitä, että vaikka ilmainen lounas on poissa laskuista, halpa välipala saattaisi olla toteutettavissa elävän nesteen ympärille rakennetulla järjestelmällä. Kokeellisia outouksia alkoi nousta pintaan vuonna 2015, kun ranskalainen ryhmä vahvisti, että E. coli -bakteerin ja veden liuokset voivat muuttua luonnottoman liukkaiksi. He panivat pisaran kahden pienen levyn väliin ja kirjasivat ylös voiman, joka tarvittiin, jotta toinen levy liukui tietyllä nopeudella. Nesteet muuttuvat yleensä vaikeammin sekoitettaviksi tai viskoosimmiksi, kun niissä on ylimääräisiä suspendoituneita hiukkasia (ajattele vettä vs. mutaa), mutta päinvastoin, kun hiukkaset voivat uida. Kun liuoksessa oli noin puoli tilavuusprosenttia E. coli -bakteeria, levyn pitäminen liikkeessä ei vaatinut lainkaan voimaa, mikä osoittaa viskositeetin olevan nolla. Joissakin kokeissa viskositeetti oli jopa negatiivinen, jolloin tutkijoiden oli kohdistettava hieman voimaa levyjen liikettä vastaan, jotta ne eivät kiihtyisi. Neste teki työtä, mikä mille tahansa inertille nesteelle olisi merkinnyt toisen lain rikkomista.

Suoraviivainen johtopäätös oli, että eliöt uivat tavalla, joka neutralisoi liuoksen sisäisen kitkan tuottaen jonkinlaisen supernesteen, nesteen, jonka vastus on nolla. Näennäinen termodynamiikkarikkomus oli illuusio, koska bakteerit tekivät työtä kompensoidakseen tai voittaakseen viskositeetin.

”Jokainen yksittäinen bakteeri on äärimmäisen heikko, mutta lukumäärässä on voimaa”, sanoo Jörn Dunkel, Massachusetts Institute of Technologyn matemaatikko, joka ei ollut mukana kokeessa.

Mutta E. coli -bakteerit eivät tyypillisesti ui kaikki samaan suuntaan, joten myöhemmissä tutkimuksissa on yritetty selvittää, mikä niiden liikkeitä voisi koordinoida. Yksi vastaus heinäkuussa Proceedings of the National Academy of Sciences -lehdessä julkaistun tutkimuksen mukaan on yksilöiden välinen vuorovaikutus.

”Kun tiheys on suuri, ne alkavat parveilla”, sanoo Xiang Cheng, Minnesotan yliopiston fyysikko ja artikkelin toinen kirjoittaja. Mutta toisin kuin kalaparvissa ja lintuparvissa nähty parveilu, E. coli -bakteerien parveilua ohjaavat puhtaasti niiden fyysiset ominaisuudet, ei elollinen reaktio.

Tutkijoiden asetelma muistutti ranskalaisryhmän asetelmaa, mutta siihen liitetyn mikroskoopin avulla he pystyivät seuraamaan bakteerien käyttäytymistä. Totta kai, kun E. coli -cocktail saavutti 10-20 tilavuusprosenttia bakteereja, muodostui pyörteitä. Kun bakteerit kyntivät mikroskooppisessa mittakaavassaan hunajapaksulta tuntuvan veden läpi, ne synnyttivät shokkiaaltoja, jotka heiluttivat tovereitaan sekä lähellä että kaukana.

”Se on vähän kuin jos galaksissa on paljon tähtiä, jotka voivat vaikuttaa toisiinsa”, Dunkel sanoi. Nämä voimat kannustivat paikallisia uivien E. coli -bakteerien ryhmiä kohdistamaan pillerinmuotoiset kehonsa.

Silloin levyjen liike tekee tästä paikallisesta käyttäytymisestä maailmanlaajuista. Ylimmän levyn vetäminen lähettää nesteen läpi aaltoilevia leikkausvoimia, jotka järjestävät ja suuntaavat parvia.

”Ilman leikkausta parvien suunta on satunnainen”, Cheng sanoi. ”Leikkauksen vaikutuksesta syntyy taipumus siihen, että kaikki bakteerit asettuvat riviin tiettyihin suuntiin.”

Kun levyjen vaikutus auttaa bakteereja asettumaan keskimääräiseen linjaan, niiden uiminen työntää vettä ja synnyttää paikallisia virtauksia, jotka muuttavat liuoksen laajamittaisia ominaisuuksia.

Chengin kokeelliset tulokset ovat pitkälti yhdenmukaisia uuden teoreettisen mallin kanssa, joka julkaistiin vain viikkoa aiemmin Physical Review Letters -lehdessä. Pyrkiessään kehittämään matemaattisen kehyksen vuoden 2015 kokeen kuvaamiseksi tutkijat muokkasivat nestekiteisiin käytettyjä yhtälöitä uusilla termeillä, jotka ottavat huomioon bakteerien aktiivisuuden.

Heidän teoriansa toisti kokeissa havaitut alhaiset ja negatiiviset viskositeetit ja ennusti myös, että bakteerit voivat suuntautua kollektiivisesti useisiin stabiileihin kuvioihin levyjen paineen alla.

”Huomaat, että sinulla on itse asiassa kaksi mahdollista tilaa, kaksi mahdollista tasapainoratkaisua”, Loisy sanoi.

Dunkel vertasi efektiä siihen, että pitäisit paperinpalaa sen ylä- ja alareunoja pitkin kädet yhteen: Kun paperi taipuu, se taittuu joko C:n tai S:n muotoon. Sen jälkeen se ei todennäköisesti vaihda jompaakumpaa näistä kahdesta muodosta, ennen kuin se päästetään irti. Chengin työ viittaa myös kahteen laajamittaiseen orientaatioon, mutta hän olettaa, että molempia esiintyy samanaikaisesti eri bakteeriryhmissä, ja havaittu käyttäytyminen edustaa keskiarvoa.

Tietoja siitä, miten nämä vaikutukset vaikuttavat kollektiiviseen superfluidiseen käyttäytymiseen, ei ole vielä selvitetty, mutta kukaan ei kiistä sitä, että energian siirtyminen mikroskooppisesta näkyvästi näkyvään on todellista ja omituista.

”Tavallisesti näin ei voi tehdä. Nestettä ei voi käyttää moottorin voimanlähteenä”, Loisy sanoi.

Mutta bakteerienergialla se ilmeisesti onnistuu.

”Jos bakteereja olisi tarpeeksi oikeassa kokoonpanossa, ne voitaisiin saada liikuttamaan rakenteita”, Dunkel sanoi, mikä herättää kutkuttavan mahdollisuuden valjastaa levyjen liike turbiinin pyörittämiseen.

Pariisi-Sudin yliopiston fyysikon ja vuoden 2015 artikkelin toisena kirjoittajana toimineen Harold Auradoun mukaan hyvin pienen moottorin käyttämisen bakteerien nopeudella lisäksi muita mahdollisia sovelluksia ovat muun muassa ”älykkäät nesteet”, jotka voisivat tunkeutua maanalaisiin kanaviin pakottamaan öljyä tai epäpuhtauksia ulos.

Kaiken järjen mukaan termodynamiikan lait ovat tietenkin edelleen täysin voimassa.

”Et tee tässä mitään maagista”, Loisy sanoi.

Kaksi tekijää antaa bakteeriratkaisujen onnistua siellä, missä demonit ja mikrokoneet eivät onnistu. Ensinnäkin E. coli -bakteerit toimivat itse pieninä moottoreina, jotka metaboloivat energiaa vedessä olevasta sokerista ja hapesta. Jotta ne pysyisivät liikkeessä, tutkijat pitävät huolen siitä, että ravinteiden tasapaino on juuri oikea. Liian vähän, ja ne kuolevat nälkään. Liian paljon, ja ne laiskistuvat.

”Ne ovat kuin ihmisiä”, Cheng sanoi nauraen.

Mutta kaikki maailman energia ei auta, jos se on liian tasaisesti jakautunut tai liian epäjärjestyksessä. Järjestelmä tarvitsee epäsymmetriaa houkutellakseen energiaa paikasta toiseen. Lämpövoimakoneissa tarvitaan esimerkiksi kuumaa ja kylmää nestettä, ja vesivoimaturbiinit tarvitsevat vettä, joka virtaa korkeasta paikasta matalaan paikkaan. Bakteerien kohdalla kyse on niiden pitkänomaisesta muodosta, joka vastaa vedessä vaikuttaviin voimiin.

”Pelkästään se, että ne suuntautuvat toisiinsa, että niillä on tietty suunta, rikkoo symmetrian”, Loisy sanoo. ”Jos ne olisivat pallomaisia, se ei toimisi.”

Tämä artikkeli on julkaistu uudelleen espanjaksi osoitteessa Investigacionyciencia.es.