Σμήνη βακτηρίων Δημιουργούν ένα «Αδύνατο» Υπερρευστό

Εκτός από τη φαντασία των καθηγητών φυσικής, οι συσκευές χωρίς τριβές είναι δύσκολο να βρεθούν. Αλλά βάζοντας ένα σωρό βακτήρια κολύμβησης σε μια σταγόνα νερό επιτυγχάνεται ακριβώς αυτό:ένα υγρό με μηδενική αντίσταση στην κίνηση. Απίστευτα, αυτή η αντίσταση (ή το ιξώδες, όπως είναι καλά γνωστό) μπορεί ακόμη και να γίνει αρνητική, δημιουργώντας ένα αυτοπροωθούμενο υγρό που θα μπορούσε, ας πούμε, να γυρίσει έναν κινητήρα με τρόπο που φαίνεται να αψηφά τους νόμους της θερμοδυναμικής. Πρόσφατη εργασία εξηγεί πώς τα βακτήρια συνωμοτούν για να βγάλουν το απίθανο.

«Για ένα κανονικό υγρό είναι αδύνατο γιατί το όλο θέμα θα ήταν ασταθές», είπε η Aurore Loisy, φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Μπρίστολ στο Ηνωμένο Βασίλειο και συν-συγγραφέας μιας από τις νέες μελέτες, «αλλά για τα βακτήρια κατά κάποιο τρόπο λειτουργεί. .”

Οι φυσικοί ονειρευόντουσαν από καιρό να πάρουν κάτι για το τίποτα, ακόμα και μόνο σε περίεργα πειράματα σκέψης. Στη δεκαετία του 1860 ο Τζέιμς Μάξγουελ επινόησε έναν παντογνώστη δαίμονα που μπορούσε να μεταφέρει γρήγορα μόρια αέρα στη μία πλευρά ενός δωματίου και αργά μόρια στην άλλη, δημιουργώντας μια διαφορά θερμοκρασίας που θα μπορούσε να τροφοδοτήσει έναν κινητήρα. Με οριακά περισσότερη πρακτικότητα, το 1962 ο Ρίτσαρντ Φάινμαν έκανε διάλεξη για ένα μικροσκοπικό γρανάζι που, όταν κινούνταν από μόρια αέρα, θα γυρνούσε μόνο προς μία κατεύθυνση, οδηγώντας έναν κινητήρα. Αλλά τέτοιες ιδέες καταρρίπτονται από τον Δεύτερο Νόμο της Θερμοδυναμικής, ο οποίος επιμένει ότι η ταξινόμηση ή η περιστροφή πρέπει να παράγει θερμότητα που καταδικάζει και τα δύο σχήματα. Όπως το έθεσε ο ποιητής Άλεν Γκίνσμπεργκ, δεν μπορείς να νικήσεις και δεν μπορείς να ξεφύγεις.

Πρόσφατα, αυξάνονται οι ενδείξεις ότι ενώ ένα δωρεάν μεσημεριανό γεύμα είναι εκτός τραπεζιού, ένα φτηνό σνακ μπορεί να είναι εφικτό με ένα σύστημα χτισμένο γύρω από ένα ζωντανό υγρό. Οι πειραματικές παραξενιές άρχισαν να εμφανίζονται το 2015 όταν μια γαλλική ομάδα επιβεβαίωσε ότι οι λύσεις του E. coli και το νερό θα μπορούσε να γίνει αφύσικα λεία. Κάνοντας σάντουιτς μια σταγόνα ανάμεσα σε δύο μικρές πλάκες, κατέγραψαν τη δύναμη που απαιτείται για να κάνει μια πλάκα να γλιστρήσει με μια ορισμένη ταχύτητα. Τα υγρά συνήθως αναδεύονται πιο δύσκολα ή πιο παχύρρευστα, όταν περιέχουν επιπλέον αιωρούμενα σωματίδια (σκεφτείτε νερό εναντίον λάσπης), αλλά το αντίθετο αποδεικνύεται ότι ισχύει όταν τα σωματίδια μπορούν να κολυμπήσουν. Όταν το διάλυμα ήταν περίπου μισό τοις εκατό E. coli κατ' όγκο, η διατήρηση της πλάκας σε κίνηση δεν απαιτούσε καθόλου δύναμη, υποδεικνύοντας μηδενικό ιξώδες. Ορισμένες δοκιμές κατέγραψαν ακόμη και αρνητικό ιξώδες, όταν οι ερευνητές έπρεπε να ασκήσουν λίγη δύναμη στην κίνηση των πλακών για να μην επιταχύνουν. Το υγρό έκανε δουλειά, κάτι που για οποιοδήποτε αδρανές ρευστό θα σήμαινε παραβίαση του Δεύτερου Νόμου.

Το ξεκάθαρο συμπέρασμα ήταν ότι οι οργανισμοί κολυμπούσαν με τρόπο που εξουδετέρωσε την εσωτερική τριβή του διαλύματος για να παράγει κάτι σαν υπερρευστό, ένα υγρό με μηδενική αντίσταση. Η φαινομενική παραβίαση της θερμοδυναμικής ήταν μια ψευδαίσθηση επειδή τα βακτήρια έκαναν τη δουλειά για να αντισταθμίσουν ή να ξεπεράσουν το ιξώδες.

"Κάθε μεμονωμένο βακτήριο είναι εξαιρετικά αδύναμο, αλλά υπάρχει δύναμη στους αριθμούς", δήλωσε ο Jörn Dunkel, μαθηματικός στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης που δεν συμμετείχε στο πείραμα.

Αλλά η Ε. coli συνήθως δεν κολυμπούν όλοι προς την ίδια κατεύθυνση, επομένως η μετέπειτα έρευνα προσπάθησε να καταλάβει τι μπορεί να συντονίζει τις κινήσεις τους. Μια απάντηση, σύμφωνα με έρευνα που δημοσιεύτηκε τον Ιούλιο στο Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών , είναι οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ ατόμων.

«Όταν έχεις υψηλή πυκνότητα, αρχίζουν να σωρεύουν», είπε ο Xiang Cheng, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Μινεσότα και συν-συγγραφέας της εργασίας. Αλλά σε αντίθεση με το σμήνος που παρατηρείται σε κοπάδια ψαριών και κοπάδια πουλιών, το σμήνος του E. coli καθοδηγείται αποκλειστικά από τα φυσικά τους χαρακτηριστικά, όχι από μια κινούμενη απόκριση.

Η διάταξη των ερευνητών έμοιαζε με τη γαλλική ομάδα, αλλά ένα προσαρτημένο μικροσκόπιο τους επέτρεψε να παρακολουθούν τη συμπεριφορά των βακτηρίων. Σίγουρα, όταν το E. coli κοκτέιλ έφτασε το 10 έως 20 τοις εκατό των βακτηρίων κατ' όγκο, σχηματίστηκαν στροβιλισμοί. Καθώς τα βακτήρια όργωναν μέσα στο νερό, το οποίο μοιάζει με μέλι σε μικροσκοπική κλίμακα, παρήγαγαν κρουστικά κύματα που έπληξαν τους συντρόφους τους τόσο κοντά όσο και μακριά.

"Είναι λίγο σαν να έχετε πολλά αστέρια σε έναν γαλαξία και μπορούν να επηρεάσουν το ένα το άλλο", είπε ο Dunkel. Αυτές οι δυνάμεις ενθάρρυναν τοπικές ομάδες κολύμβησης E. coli να ευθυγραμμίσουν το σώμα τους σε σχήμα χαπιού.

Τότε η κίνηση των πλακών κάνει αυτή την τοπική συμπεριφορά παγκόσμια. Σύροντας την επάνω πλάκα στέλνονται διατμητικές δυνάμεις που κυματίζουν το ρευστό, οι οποίες στην πραγματικότητα οργανώνουν και προσανατολίζουν τα σμήνη.

«Χωρίς διάτμηση, η κατεύθυνση του σμήνος είναι τυχαία», είπε ο Cheng. "Υπό διάτμηση, έχετε την τάση να έχετε όλα τα βακτήρια να παρατάσσονται σε συγκεκριμένες κατευθύνσεις."

Μόλις η επίδραση των πλακών βοηθήσει τα βακτήρια να εγκατασταθούν σε μια μέση ευθυγράμμιση, το κολύμπι τους πιέζει το νερό και δημιουργεί τοπικές ροές που μεταμορφώνουν τις ιδιότητες μεγάλης κλίμακας του διαλύματος.

Τα πειραματικά αποτελέσματα του Cheng συμφωνούν σε μεγάλο βαθμό με ένα νέο θεωρητικό μοντέλο, που δημοσιεύτηκε μόλις μια εβδομάδα νωρίτερα στο Physical Review Letters . Με στόχο την ανάπτυξη ενός μαθηματικού πλαισίου για την περιγραφή του πειράματος του 2015, οι ερευνητές τροποποίησαν τις εξισώσεις που χρησιμοποιούνται για τους υγρούς κρυστάλλους με νέους όρους που αντιστοιχούν στη δραστηριότητα των βακτηρίων.

Η θεωρία τους αναπαρήγαγε τα χαμηλά και αρνητικά ιξώδη που φαίνονται στα πειράματα και επίσης προέβλεψε ότι τα βακτήρια θα μπορούσαν συλλογικά να προσανατολιστούν σε πολλαπλά σταθερά μοτίβα υπό την πίεση των πλακών.

"Βρίσκετε ότι έχετε στην πραγματικότητα δύο πιθανές καταστάσεις, δύο πιθανές λύσεις ισορροπίας", είπε η Λόιζυ.

Ο Dunkel παρομοίασε το εφέ με το να κρατάτε ένα κομμάτι χαρτί κατά μήκος των επάνω και κάτω άκρων του και να ενώνετε τα χέρια σας:Καθώς το χαρτί λυγίζει, διπλώνει είτε σε σχήμα C είτε σε σχήμα S. Τότε είναι απίθανο να αλλάξει από μία από αυτές τις δύο διαμορφώσεις μέχρι να κυκλοφορήσει. Το έργο του Cheng προτείνει επίσης δύο προσανατολισμούς μεγάλης κλίμακας, αλλά αναμένει ότι και οι δύο είναι παρόντες ταυτόχρονα σε διαφορετικές ομάδες βακτηρίων και η παρατηρούμενη συμπεριφορά αντιπροσωπεύει έναν μέσο όρο.

Λεπτομέρειες σχετικά με το πώς αυτά τα φαινόμενα συμβάλλουν στη συλλογική υπερρευστική συμπεριφορά απομένουν να διερευνηθούν, αλλά κανείς δεν αμφισβητεί ότι η μεταφορά ενέργειας από το μικροσκοπικό στο ορατό είναι πραγματική και περίεργη.

«Συνήθως δεν μπορείτε να το κάνετε αυτό. Δεν μπορείτε να τροφοδοτήσετε έναν κινητήρα με υγρό», είπε η Loisy.

Αλλά με βακτηριακή ενέργεια, προφανώς, μπορείτε.

"Εάν είχατε αρκετά βακτήρια στη σωστή διάταξη, θα μπορούσατε πραγματικά να τα κάνετε να μετακινήσουν δομές γύρω", είπε ο Dunkel, γεγονός που αυξάνει τη δελεαστική πιθανότητα να αξιοποιήσετε την κίνηση των πλακών για να περιστρέψετε μια τουρμπίνα.

Εκτός από την οδήγηση ενός πολύ μικρού κινητήρα με ταχύτητα βακτηρίων, άλλες πιθανές εφαρμογές περιλαμβάνουν «έξυπνα υγρά» που θα μπορούσαν να διεισδύσουν σε υπόγεια κανάλια για να απομακρύνουν λάδια ή ρύπους, σύμφωνα με τον Harold Auradou, φυσικό στο Πανεπιστήμιο του Paris-Sud και συν-συγγραφέα. της εφημερίδας του 2015.

Φυσικά, από κάθε άποψη, οι νόμοι της θερμοδυναμικής παραμένουν σε πλήρη ισχύ.

«Δεν κάνεις τίποτα μαγικό εδώ», είπε η Λόιζυ.

Δύο παράγοντες επιτρέπουν στα διαλύματα των βακτηρίων να πετύχουν εκεί που δεν το κάνουν οι δαίμονες και τα μικροεργαλεία. Πρώτον, το E. coli λειτουργούν ως μικροί κινητήρες οι ίδιοι, μεταβολίζοντας την ενέργεια από τη ζάχαρη και το οξυγόνο στο νερό. Για να συνεχίσουν να κινούνται, οι ερευνητές φροντίζουν πολύ να έχουν τη σωστή ισορροπία των θρεπτικών συστατικών. Πολύ λίγο, και λιμοκτονούν. Πάρα πολύ, και τεμπελιάζουν.

«Είναι σαν άνθρωποι», είπε ο Τσενγκ γελώντας.

Αλλά όλη η ενέργεια στον κόσμο δεν θα βοηθήσει εάν κατανέμεται πολύ ομαλά ή πολύ ανοργάνωτη. Ένα σύστημα χρειάζεται ασυμμετρία για να συμπυκνώσει την ενέργεια από τη μια θέση στην άλλη. Οι θερμικές μηχανές απαιτούν ένα ζεστό ρευστό και ένα κρύο ρευστό, για παράδειγμα, και οι υδροηλεκτρικοί στρόβιλοι χρειάζονται νερό που ρέει από ένα ψηλό μέρος σε ένα χαμηλό μέρος. Για τα βακτήρια, οφείλεται στο επίμηκες σχήμα τους, το οποίο ανταποκρίνεται στις δυνάμεις στο νερό.

"Το γεγονός ότι ευθυγραμμίζονται, ότι υπάρχει μια προτιμώμενη κατεύθυνση, σπάει τη συμμετρία», είπε η Loisy. "Αν ήταν σφαιρικά, δεν θα λειτουργούσε."

Αυτό το άρθρο ανατυπώθηκε στα ισπανικά στη διεύθυνση Investigacionyciencia.es .