Poza wyobraźnią nauczycieli fizyki, urządzenia bez tarcia są trudne do zdobycia. Jednak umieszczenie kilku pływających bakterii w kropli wody pozwala osiągnąć właśnie to: płyn o zerowym oporze ruchu. Niewiarygodnie, ten opór (lub lepkość, jak to się poprawnie nazywa) może być nawet ujemny, tworząc samonapędzającą się ciecz, która może, na przykład, obracać silnik w sposób, który wydaje się przeczyć prawom termodynamiki. Najnowsza praca wyjaśnia, w jaki sposób bakterie spiskują, aby dokonać nieprawdopodobnego.

„Dla normalnego płynu jest to niemożliwe, ponieważ cała rzecz byłaby niestabilna”, powiedziała Aurore Loisy, fizyk z Uniwersytetu w Bristolu w Wielkiej Brytanii i współautorka jednego z nowych badań, „ale dla bakterii jakoś to działa.”

Fizycy od dawna marzyli o tym, aby dostać coś za nic, nawet jeśli tylko w ramach dziwacznych eksperymentów myślowych. W latach sześćdziesiątych XIX wieku James Maxwell wyczarował wszechwiedzącego demona, który mógł przesuwać szybkie cząsteczki powietrza na jedną stronę pokoju, a wolne cząsteczki na drugą, tworząc różnicę temperatur, która mogłaby zasilić silnik. Nieco bardziej praktyczny był wykład Richarda Feynmana z 1962 roku na temat mikroskopijnego koła zębatego, które poruszane przez cząsteczki powietrza obracałoby się tylko w jednym kierunku, napędzając silnik. Jednak takie pomysły niweczy Drugie Prawo Termodynamiki, które mówi, że sortowanie lub obracanie musi generować ciepło, które skazuje oba te systemy na zagładę. Jak ujął to poeta Allen Ginsberg, nie można wygrać, nie można też wyjść na zero.

Ostatnio pojawiły się dowody na to, że podczas gdy darmowy lunch nie wchodzi w grę, tania przekąska może być wykonalna w systemie zbudowanym wokół żywego płynu. Eksperymentalne dziwactwa zaczęły wypływać na powierzchnię w 2015 roku, kiedy francuski zespół potwierdził, że roztwory E. coli i wody mogą stać się nienaturalnie śliskie. Umieszczając kroplę pomiędzy dwiema małymi płytkami, rejestrowali siłę potrzebną do tego, by jedna z płytek ślizgała się z określoną prędkością. Ciecze zwykle trudniej się miesza lub są bardziej lepkie, gdy zawierają dodatkowe zawieszone cząsteczki (pomyśl o wodzie i błocie), ale okazuje się, że jest odwrotnie, gdy cząsteczki mogą pływać. Kiedy roztwór zawierał około pół procenta objętości E. coli, utrzymanie płytki w ruchu nie wymagało żadnej siły, co wskazuje na zerową lepkość. W niektórych próbach odnotowano nawet ujemną lepkość, kiedy to badacze musieli przyłożyć nieco siły do ruchu płytek, aby powstrzymać je od przyspieszenia. Ciecz wykonywała pracę, co dla każdego obojętnego płynu oznaczałoby naruszenie Drugiego Prawa.

Prostym wnioskiem było to, że organizmy pływały w sposób, który neutralizował wewnętrzne tarcie roztworu, aby wytworzyć coś w rodzaju superpłynnej cieczy, cieczy o zerowym oporze. Pozorne naruszenie termodynamiki było iluzją, ponieważ bakterie wykonywały pracę, aby zrównoważyć lub pokonać lepkość.

„Każda bakteria z osobna jest niezwykle słaba, ale w liczbie tkwi siła”, powiedział Jörn Dunkel, matematyk z Massachusetts Institute of Technology, który nie brał udziału w eksperymencie.

Ale E. coli zazwyczaj nie pływają w tym samym kierunku, więc kolejne badania próbowały ustalić, co może koordynować ich ruchy. Jedną z odpowiedzi, według badań opublikowanych w lipcu w Proceedings of the National Academy of Sciences, są interakcje między jednostkami.

„Kiedy masz duże zagęszczenie, zaczynają się roić”, powiedział Xiang Cheng, fizyk z Uniwersytetu Minnesoty i współautor pracy. Ale w przeciwieństwie do rojenia widzianego w ławicach ryb i stadach ptaków, rojenie się E. coli jest napędzane wyłącznie przez ich cechy fizyczne, a nie animowaną reakcję.

Ustawienie badaczy przypominało ustawienie francuskiego zespołu, ale dołączony mikroskop pozwolił im śledzić zachowanie bakterii. Oczywiście, kiedy koktajl E. coli osiągnął 10 do 20 procent objętości bakterii, powstały wiry. Gdy bakterie przedzierały się przez wodę, która w ich mikroskopijnej skali wydaje się być gęsta jak miód, wytwarzały fale uderzeniowe, które owiewały ich towarzyszy zarówno z bliska, jak i z daleka.

„To trochę tak, jakby mieć wiele gwiazd w galaktyce i mogą one wpływać na siebie nawzajem” – powiedział Dunkel. Te siły zachęciły lokalne grupy pływających E. coli do wyrównania ich ciał w kształcie pigułek.

Wtedy ruch płyt sprawia, że to lokalne zachowanie staje się globalne. Przeciąganie górnej płyty wysyła siły ścinające falujące przez płyn, które w efekcie organizują i orientują roje.

„Bez ścinania, kierunek rojenia jest przypadkowy,” powiedział Cheng. „Pod wpływem ścinania, pojawia się tendencja do ustawiania się wszystkich bakterii w określonych kierunkach.”

Gdy wpływ płyt pomaga bakteriom ułożyć się w przeciętne ułożenie, ich pływanie naciska na wodę i generuje lokalne przepływy, które przekształcają wielkoskalowe właściwości roztworu.

Doświadczalne wyniki Chenga są w dużej mierze zgodne z nowym modelem teoretycznym, opublikowanym tydzień wcześniej w Physical Review Letters. Dążąc do opracowania matematycznych ram opisujących eksperyment z 2015 r., badacze zmodyfikowali równania stosowane dla ciekłych kryształów z nowymi warunkami uwzględniającymi aktywność bakterii.

Twoja teoria odtworzyła niskie i ujemne lepkości zaobserwowane w eksperymentach, a także przewidziała, że bakterie mogą kolektywnie orientować się w wielu stabilnych wzorach pod naciskiem płyt.

„Okazuje się, że w rzeczywistości mamy dwa możliwe stany, dwa możliwe rozwiązania równowagi,” powiedział Loisy.

Dunkel porównał ten efekt do trzymania kartki papieru wzdłuż jej górnej i dolnej krawędzi i zbliżenia do siebie rąk: Jak papier zgina, to składa się w albo C lub S kształt. Następnie jest mało prawdopodobne, aby zmieniła się z jednej z tych dwóch konfiguracji, dopóki nie zostanie zwolniona. Praca Chenga również sugeruje dwie orientacje na dużą skalę, ale spodziewa się, że obie są obecne jednocześnie w różnych grupach bakterii, a obserwowane zachowanie reprezentuje average.

Szczegóły dotyczące tego, jak te efekty przyczyniają się do kolektywnego zachowania superfluidalnego pozostają do opracowania, ale nikt nie kwestionuje, że transfer energii z mikroskopijnego do widzialnego jest prawdziwy i peculiar.

„Zazwyczaj nie można tego zrobić. Nie można zasilić silnika za pomocą płynu”, powiedział Loisy.

Ale z energią bakterii, najwyraźniej można.

„Jeśli miałbyś wystarczająco dużo bakterii w odpowiednim układzie, mógłbyś faktycznie zmusić je do poruszania strukturami wokół”, powiedział Dunkel, co podnosi tantalizującą możliwość wykorzystania ruchu płytek do obracania turbiną.

Oprócz napędzania bardzo małego silnika z prędkością bakterii, inne potencjalne zastosowania obejmują „inteligentne ciecze”, które mogłyby infiltrować podziemne kanały, aby wypchnąć ropę lub zanieczyszczenia, według Harolda Auradou, fizyka z Uniwersytetu Paris-Sud i współautora pracy z 2015 roku.

Oczywiście, według wszystkich rachunków, prawa termodynamiki pozostają w pełnym działaniu.

„Nie robisz tu nic magicznego”, powiedział Loisy.

Dwa czynniki pozwalają rozwiązaniom bakteryjnym odnieść sukces tam, gdzie demony i mikrogwiazdy nie. Po pierwsze, E. coli same działają jak małe silniki, metabolizując energię z cukru i tlenu w wodzie. Aby utrzymać je w ruchu, naukowcy bardzo dbają o właściwą równowagę składników odżywczych. Zbyt mało, a głodują. Zbyt dużo, a stają się leniwe.

„Są jak ludzie”, powiedział Cheng ze śmiechem.

Ale cała energia na świecie nie pomoże, jeśli jest zbyt gładko rozprowadzana lub zbyt zdezorganizowana. System potrzebuje asymetrii, aby przenieść energię z jednego miejsca do drugiego. Silniki cieplne wymagają gorącego i zimnego płynu, na przykład, a turbiny wodne potrzebują wody przepływającej z wysokiego miejsca do niskiego. W przypadku bakterii, sprowadza się to do ich wydłużonego kształtu, który odpowiada siłom w wodzie.

„Sam fakt, że wyrównują się, że istnieje preferowany kierunek, łamie symetrię,” powiedział Loisy. „Gdyby były kuliste, nie działałyby.”

Ten artykuł został przedrukowany w języku hiszpańskim na Investigacionyciencia.es.

.