Außerhalb der Vorstellungskraft von Physiklehrern sind reibungsfreie Geräte schwer zu finden. Aber wenn man eine Gruppe schwimmender Bakterien in einen Wassertropfen setzt, erreicht man genau das: eine Flüssigkeit mit null Bewegungswiderstand. Unglaublicherweise kann dieser Widerstand (oder die Viskosität, wie es richtig heißt) sogar negativ werden, so dass eine Flüssigkeit mit Eigenantrieb entsteht, die z. B. einen Motor auf eine Weise antreiben könnte, die den Gesetzen der Thermodynamik zu widersprechen scheint. Neuere Arbeiten erklären, wie Bakterien das Unwahrscheinliche schaffen.

„Bei einer normalen Flüssigkeit ist das unmöglich, weil das Ganze instabil wäre“, sagt Aurore Loisy, Physikerin an der Universität Bristol im Vereinigten Königreich und Mitautorin einer der neuen Studien, „aber bei Bakterien funktioniert es irgendwie.“

Physiker träumen schon lange davon, etwas für nichts zu bekommen, wenn auch nur in ausgefallenen Gedankenexperimenten. In den 1860er Jahren beschwor James Maxwell einen allwissenden Dämon herauf, der schnelle Luftmoleküle auf die eine und langsame Moleküle auf die andere Seite eines Raums lenken konnte, wodurch ein Temperaturunterschied entstand, der einen Motor antreiben konnte. Richard Feynman hielt 1962 einen etwas praktischeren Vortrag über ein mikroskopisch kleines Zahnrad, das sich, wenn es von Luftmolekülen angestoßen wird, nur in eine Richtung dreht und einen Motor antreibt. Doch solche Ideen scheitern am Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, der besagt, dass beim Sortieren oder Drehen Wärme entstehen muss, die beide Systeme zum Scheitern verurteilt. Wie der Dichter Allen Ginsberg es formulierte, kann man nicht gewinnen, und man kommt nicht über die Runden.

In letzter Zeit häufen sich die Hinweise darauf, dass ein kostenloses Mittagessen zwar vom Tisch ist, aber ein billiger Imbiss mit einem System, das um eine lebende Flüssigkeit herum aufgebaut ist, machbar sein könnte. Experimentelle Merkwürdigkeiten tauchten 2015 auf, als ein französisches Team bestätigte, dass Lösungen aus E. coli und Wasser unnatürlich glitschig werden können. Sie klemmten einen Tropfen zwischen zwei kleine Platten und zeichneten die Kraft auf, die nötig war, um eine Platte mit einer bestimmten Geschwindigkeit gleiten zu lassen. Flüssigkeiten lassen sich normalerweise schwerer umrühren oder werden zähflüssiger, wenn sie zusätzliche Schwebeteilchen enthalten (man denke an Wasser im Vergleich zu Schlamm), aber das Gegenteil ist der Fall, wenn die Teilchen schwimmen können. Wenn die Lösung etwa ein halbes Volumenprozent E. coli enthielt, war zum Bewegen der Platte keinerlei Kraft erforderlich, was auf eine Viskosität von Null hinweist. Bei einigen Versuchen wurde sogar eine negative Viskosität festgestellt, wenn die Forscher etwas Kraft gegen die Bewegung der Platten aufbringen mussten, um sie an der Beschleunigung zu hindern. Die Flüssigkeit verrichtete Arbeit, was für jede inerte Flüssigkeit eine Verletzung des Zweiten Hauptsatzes bedeutet hätte.

Die einfache Schlussfolgerung war, dass die Organismen auf eine Weise schwammen, die die innere Reibung der Lösung neutralisierte, um so etwas wie ein Superfluid zu erzeugen, eine Flüssigkeit mit null Widerstand. Der offensichtliche Verstoß gegen die Thermodynamik war eine Illusion, weil die Bakterien die Arbeit verrichteten, um die Viskosität auszugleichen oder zu überwinden.

„Jedes einzelne Bakterium ist extrem schwach, aber in der Menge liegt die Kraft“, sagte Jörn Dunkel, ein Mathematiker am Massachusetts Institute of Technology, der nicht an dem Experiment beteiligt war.

Aber E. coli schwimmen normalerweise nicht alle in die gleiche Richtung, so dass nachfolgende Forschungen versucht haben, herauszufinden, was ihre Bewegungen koordinieren könnte. Eine Antwort, so die im Juli in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlichten Forschungsergebnisse, sind die Interaktionen zwischen den Individuen.

„Wenn man eine hohe Dichte hat, beginnen sie zu schwärmen“, so Xiang Cheng, Physiker an der University of Minnesota und Mitautor der Studie. Aber anders als bei Fischschwärmen oder Vogelschwärmen wird das Schwärmen von E. coli rein durch ihre physikalischen Eigenschaften angetrieben, nicht durch eine animierte Reaktion.

Die Versuchsanordnung der Forscher ähnelte der des französischen Teams, aber mit einem angeschlossenen Mikroskop konnten sie das Verhalten der Bakterien verfolgen. Tatsächlich bildeten sich Strudel, wenn der E. coli-Cocktail 10 bis 20 Volumenprozent Bakterien erreichte. Als die Bakterien durch das Wasser pflügten, das sich im mikroskopischen Maßstab honigdick anfühlt, erzeugten sie Schockwellen, die ihre nahen und fernen Begleiter durcheinanderwirbelten.

„Es ist ein bisschen so, wie wenn man viele Sterne in einer Galaxie hat und sie sich gegenseitig beeinflussen können“, sagte Dunkel. Diese Kräfte ermutigten lokale Gruppen von schwimmenden E. coli, ihre pillenförmigen Körper auszurichten.

Dann macht die Bewegung der Platten dieses lokale Verhalten global. Durch das Ziehen der oberen Platte werden Scherkräfte durch die Flüssigkeit geschickt, die die Schwärme organisieren und ausrichten.

„Ohne Scherung ist die Richtung der Schwärme zufällig“, so Cheng. „

Wenn der Einfluss der Platten den Bakterien hilft, sich in eine durchschnittliche Ausrichtung zu bringen, drückt ihr Schwimmen auf das Wasser und erzeugt lokale Strömungen, die die großräumigen Eigenschaften der Lösung verändern.

Chengs experimentelle Ergebnisse stimmen weitgehend mit einem neuen theoretischen Modell überein, das erst eine Woche zuvor in Physical Review Letters veröffentlicht wurde. Mit dem Ziel, einen mathematischen Rahmen zur Beschreibung des Experiments von 2015 zu entwickeln, modifizierten die Forscher die für Flüssigkristalle verwendeten Gleichungen mit neuen Begriffen, die die Aktivität der Bakterien berücksichtigen.

Ihre Theorie reproduzierte die niedrigen und negativen Viskositäten, die in den Experimenten beobachtet wurden, und sagte auch voraus, dass sich die Bakterien unter dem Druck der Platten kollektiv in mehreren stabilen Mustern orientieren können.

„Man stellt fest, dass es tatsächlich zwei mögliche Zustände gibt, zwei mögliche Gleichgewichtslösungen“, sagte Loisy.

Dunkel verglich den Effekt mit dem, wenn man ein Stück Papier an der oberen und unteren Kante hält und die Hände zusammenführt: Wenn sich das Papier biegt, faltet es sich entweder in eine C- oder in eine S-Form. Es ist dann unwahrscheinlich, dass es von einer dieser beiden Konfigurationen abweicht, bis es losgelassen wird. Chengs Arbeit deutet ebenfalls auf zwei großräumige Ausrichtungen hin, aber er geht davon aus, dass beide gleichzeitig in verschiedenen Bakteriengruppen vorhanden sind und das beobachtete Verhalten einen Durchschnitt darstellt.

Die Einzelheiten darüber, wie diese Effekte zu dem kollektiven suprafluiden Verhalten beitragen, müssen noch ausgearbeitet werden, aber niemand bestreitet, dass der Energietransfer vom Mikroskopischen zum Sichtbaren real und eigenartig ist.

„Normalerweise kann man das nicht tun. Man kann einen Motor nicht mit einer Flüssigkeit antreiben“, sagte Loisy.

Aber mit bakterieller Energie geht es offenbar doch.

„Wenn man genug Bakterien in der richtigen Anordnung hat, kann man sie tatsächlich dazu bringen, Strukturen zu bewegen“, sagte Dunkel, was die verlockende Möglichkeit eröffnet, die Bewegung der Platten zum Antrieb einer Turbine zu nutzen.

Neben dem Antrieb eines sehr kleinen Motors mit Bakteriengeschwindigkeit sind auch „intelligente Flüssigkeiten“ denkbar, die in unterirdische Kanäle eindringen könnten, um Öl oder Schadstoffe herauszudrücken, so Harold Auradou, Physiker an der Universität Paris-Sud und Mitverfasser der Studie von 2015.

Natürlich bleiben die Gesetze der Thermodynamik in vollem Umfang in Kraft.

„Sie machen hier nichts Magisches“, sagte Loisy.

Zwei Faktoren lassen die Bakterienlösungen dort erfolgreich sein, wo Dämonen und Mikrozahnräder es nicht sind. Erstens fungieren die E. coli selbst als kleine Motoren, die Energie aus Zucker und Sauerstoff im Wasser verstoffwechseln. Um sie in Bewegung zu halten, achten die Forscher sehr darauf, dass das Gleichgewicht der Nährstoffe genau richtig ist. Zu wenig, und sie verhungern. Zu viel, und sie werden träge.

„Sie sind wie Menschen“, sagt Cheng lachend.

Aber alle Energie der Welt nützt nichts, wenn sie zu gleichmäßig verteilt oder zu unorganisiert ist. Ein System braucht eine Asymmetrie, um Energie von einem Ort zum anderen zu leiten. Wärmekraftmaschinen benötigen beispielsweise eine heiße und eine kalte Flüssigkeit, und Wasserkraftturbinen benötigen Wasser, das von einem hohen zu einem niedrigen Punkt fließt. Bei Bakterien kommt es auf ihre längliche Form an, die auf die Kräfte im Wasser reagiert.

„Allein die Tatsache, dass sie sich ausrichten, dass es eine bevorzugte Richtung gibt, bricht die Symmetrie“, so Loisy. „Wären sie kugelförmig, würde es nicht funktionieren.“

Dieser Artikel wurde auf Spanisch unter Investigacionyciencia.es.

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