A fizikatanárok képzeletén kívül nehéz súrlódásmentes eszközöket találni. De ha egy csomó úszó baktériumot teszünk egy csepp vízbe, pontosan ezt érjük el: egy olyan folyadékot, amelynek nulla a mozgási ellenállása. Hihetetlen, de ez az ellenállás (vagy viszkozitás, ahogyan helyesen nevezik) akár negatívvá is válhat, így egy olyan önjáró folyadékot hozva létre, amely mondjuk egy motort úgy tud forgatni, hogy az látszólag a termodinamika törvényeinek is ellentmond. A legújabb munka megmagyarázza, hogyan képesek a baktériumok összeesküvéssel megvalósítani a valószínűtlent.

“Egy normális folyadék esetében ez lehetetlen, mert az egész instabil lenne” – mondta Aurore Loisy, az Egyesült Királyságbeli Bristoli Egyetem fizikusa, az egyik új tanulmány társszerzője – “de a baktériumok esetében ez valahogy működik.”

A fizikusok régóta álmodoznak arról, hogy valamit a semmiért kapjanak, még ha csak furcsa gondolatkísérletekben is. Az 1860-as években James Maxwell megidézett egy mindentudó démont, aki képes volt a gyors levegőmolekulákat a szoba egyik oldalára, a lassú molekulákat pedig a másikra terelni, olyan hőmérséklet-különbséget létrehozva, amely egy motort is képes volt működtetni. Valamivel gyakorlatiasabb, 1962-ben Richard Feynman egy mikroszkopikus fogaskerékről tartott előadást, amely a levegőmolekulák lökdösődésére csak egy irányba forog, és ezzel meghajt egy motort. Az ilyen elképzeléseket azonban meghiúsítja a termodinamika második törvénye, amely ragaszkodik ahhoz, hogy a rendezésnek vagy a forgásnak hőt kell termelnie, ami mindkét tervnek véget vet. Ahogy Allen Ginsberg költő fogalmazott, nem lehet nyerni, és nem lehet nullszaldós.

A közelmúltban egyre több a bizonyíték arra, hogy míg az ingyen ebéd nem jöhet szóba, az olcsó uzsonna talán megvalósítható lenne egy élő folyadék köré épített rendszerrel. A kísérleti furcsaságok 2015-ben kezdtek felszínre kerülni, amikor egy francia csapat megerősítette, hogy az E. coli és a víz oldatai természetellenesen csúszóssá válhatnak. Két kis lemez közé szorítva egy cseppet, feljegyezték, mekkora erő szükséges ahhoz, hogy az egyik lemez egy bizonyos sebességgel csússzon. A folyadékok általában nehezebben keverhetők, vagy viszkózusabbak lesznek, ha további lebegő részecskéket tartalmaznak (gondoljunk a vízre vs. iszapra), de kiderült, hogy ennek az ellenkezője igaz, ha a részecskék úszni tudnak. Amikor az oldat körülbelül fél térfogatszázaléknyi E. coli volt, a lemez mozgásban tartásához egyáltalán nem volt szükség erőre, ami nulla viszkozitásra utal. Néhány kísérletben még negatív viszkozitást is regisztráltak, amikor a kutatóknak némi erőt kellett kifejteniük a lemezek mozgása ellen, hogy azok ne gyorsuljanak fel. A folyadék munkát végzett, ami bármely inert folyadék esetében a második törvény megsértését jelentette volna.

Az egyértelmű következtetés az volt, hogy az organizmusok úgy úsztak, hogy az oldat belső súrlódását semlegesítve valami szuperfolyadékhoz hasonló, nulla ellenállású folyadékot hoztak létre. A termodinamika látszólagos megsértése illúzió volt, mivel a baktériumok munkát végeztek a viszkozitás ellensúlyozására vagy legyőzésére.

“Minden egyes baktérium rendkívül gyenge, de a számban rejlik az erő” – mondta Jörn Dunkel, a Massachusetts Institute of Technology matematikusa, aki nem vett részt a kísérletben.

Az E. coli baktériumok azonban jellemzően nem mind ugyanabban az irányban úsznak, ezért a későbbi kutatások megpróbálták kideríteni, mi koordinálhatja a mozgásukat. A Proceedings of the National Academy of Sciences című folyóiratban júliusban megjelent kutatás szerint az egyik válasz az egyedek közötti kölcsönhatásokban rejlik.

“Ha nagy a sűrűség, akkor elkezdenek nyüzsögni” – mondta Xiang Cheng, a Minnesotai Egyetem fizikusa, a tanulmány társszerzője. De ellentétben a halrajoknál és madárrajoknál megfigyelhető nyüzsgéssel, az E. coli nyüzsgését pusztán a fizikai tulajdonságaik vezérlik, nem pedig animációs reakció.”

A kutatók elrendezése hasonlított a francia csapatéhoz, de egy csatlakoztatott mikroszkóp segítségével nyomon tudták követni a baktériumok viselkedését. Bizony, amikor az E. coli koktél elérte a baktériumok 10-20 térfogatszázalékát, örvények alakultak ki. Ahogy a baktériumok végigszántottak a mikroszkopikus méretükben mézvastagnak tűnő vízen, lökéshullámokat hoztak létre, amelyek közelről és távolról is megzavarták társaikat.

“Kicsit olyan, mintha egy galaxisban sok csillag lenne, és ezek hatással lennének egymásra” – mondta Dunkel. Ezek az erők arra ösztönözték az úszkáló E. coli helyi csoportjait, hogy összehangolják pillangó alakú testüket.

Azután a lemezek mozgása ezt a helyi viselkedést globálisvá teszi. A felső lemez húzásával nyíróerők hullámzanak a folyadékban, amelyek valójában megszervezik és orientálják a rajokat.

“Nyírás nélkül a rajok iránya véletlenszerű” – mondta Cheng. “Nyírás alatt az a tendencia alakul ki, hogy az összes baktérium bizonyos irányokba sorakozik fel.”

Mihelyt a lemezek hatására a baktériumok egy átlagos irányba rendeződnek, úszásuk nyomást gyakorol a vízre, és olyan helyi áramlásokat hoz létre, amelyek átalakítják az oldat nagyléptékű tulajdonságait.

Cheng kísérleti eredményei nagyrészt összhangban vannak egy új elméleti modellel, amelyet alig egy héttel korábban publikáltak a Physical Review Letters című folyóiratban. A 2015-ös kísérletet leíró matematikai keretrendszer kidolgozására törekedve a kutatók a folyadékkristályokra használt egyenleteket módosították a baktériumok aktivitását figyelembe vevő új kifejezésekkel.

Az elméletük reprodukálta a kísérletekben tapasztalt alacsony és negatív viszkozitást, és azt is megjósolta, hogy a baktériumok a lemezek nyomása alatt kollektíven többféle stabil mintázatba tudnak orientálódni.

“Azt találjuk, hogy valójában két lehetséges állapotunk van, két lehetséges egyensúlyi megoldás” – mondta Loisy.

Dunkel úgy hasonlította a hatást, mintha egy papírlapot a felső és alsó széle mentén tartanánk, és összefognánk a kezünket: Ahogy a papír meghajlik, vagy C vagy S alakúra hajtogatódik. Ezután nem valószínű, hogy e két alakzat valamelyikéből megváltozik, amíg el nem engedjük. Cheng munkája szintén két nagyméretű orientációra utal, de ő arra számít, hogy mindkettő egyszerre van jelen a baktériumok különböző csoportjaiban, és a megfigyelt viselkedés egy átlagot képvisel.

A részleteket, hogy ezek a hatások hogyan járulnak hozzá a kollektív szuperfolyékony viselkedéshez, még ki kell dolgozni, de senki sem vitatja, hogy az energiaátvitel a mikroszkopikusból a láthatóba valós, és sajátos.

“Általában nem lehet ilyet csinálni. Egy folyadékkal nem tudsz motort működtetni” – mondta Loisy.

De a baktériumok energiájával, úgy tűnik, igen.

“Ha elég baktériumod lenne a megfelelő elrendezésben, rávehetnéd őket, hogy szerkezeteket mozgassanak” – mondta Dunkel, ami felveti annak az izgalmas lehetőségét, hogy a lemezek mozgását egy turbina megforgatására használjuk fel.

A nagyon kicsi motor baktériumsebességgel történő meghajtásán kívül más lehetséges alkalmazások közé tartoznak az “intelligens folyadékok”, amelyek beszivároghatnak a föld alatti csatornákba, hogy kiszorítsák az olajat vagy a szennyező anyagokat, Harold Auradou, a Paris-Sud Egyetem fizikusa és a 2015-ös tanulmány társszerzője szerint.

A termodinamika törvényei természetesen továbbra is teljes mértékben érvényesek.

“Itt semmi varázslatos dolgot nem csinálnak” – mondta Loisy.

Két tényező teszi lehetővé, hogy a baktériumos megoldások ott is sikeresek legyenek, ahol a démonok és a mikrofogak nem. Először is, az E. coli-k maguk is kis motorokként viselkednek, energiát metabolizálnak a vízben lévő cukorból és oxigénből. Ahhoz, hogy mozgásban tartsák őket, a kutatók nagy gondot fordítanak arra, hogy a tápanyagok egyensúlya éppen megfelelő legyen. Ha túl kevés, éhen halnak. Túl sok, és ellustulnak.

“Olyanok, mint az emberek” – mondta nevetve Cheng.

De a világ összes energiája sem segít, ha túl egyenletesen vagy túl szervezetlenül van elosztva. Egy rendszernek aszimmetriára van szüksége ahhoz, hogy energiát csalogasson egyik helyről a másikra. A hőmotoroknak például egy forró és egy hideg folyadékra van szükségük, a vízenergia turbináknak pedig arra, hogy a víz egy magas helyről egy alacsony helyre áramoljon. A baktériumok esetében ez a hosszúkás alakjuknak köszönhető, amely a vízben lévő erőkre reagál.

“Már az a tény, hogy egymáshoz igazodnak, hogy van egy preferált irány, megtöri a szimmetriát” – mondta Loisy. “Ha gömb alakúak lennének, nem működne.”

Ezt a cikket spanyolul az Investigacionyciencia.es.

közölte.