Bakterie jak baterie
Zmodyfikowane roztwory z bakteriami mogą służyć za małe silniki, oczywiście w pewnych warunkach – tak wynika z prac zespołu badawczego, którym kierował dr Harold Auradou z Université Paris-Sud w Orsay
Jak donoszą naukowcy, pływające bakterie rozcieńczają zwykłe ciecze i – w niektórych przypadkach – przekształcają je w nadciecze o zerowej lepkości.
– Wyniki prac badawczych zgadzają się z modelem teoretycznym, według którego roztwór z bakteriami może poruszać się bez tarcia. Badania zespołu opisują szczegóły przemiany od regularnej cieczy do stanu nadciekłości – mówi prof. Karsten Kruse, fizyk z Uniwersytetu Kraju Saary w Saarbrücken.
Nadciekłość, inaczej nazywana nadpłynnością, to stan materii charakteryzujący się całkowitym zanikiem lepkości – właściwości płynów i plastycznych ciał stałych określającej ich wewnętrzne tarcie. Materia w stanie nadciekłym, jeśli zostanie puszczona w ruch w dowolnym obiegu zamkniętym, może bez żadnego dodatkowego nakładu energii krążyć w nim bez końca. Zjawisko nadciekłości zostało odkryte w 1937 roku przez Piotra Kapicę (syna rosyjskiego oficera armii carskiej i Olgi ze Stebnickich, córki polskiego inżyniera kartografa) oraz Kanadyjczyków Johna F. Allena i Dona Misenera.
Zespół prowadzony przez fizyka Harolda Auradou z Université Paris-Sud w Orsay starał się sprawdzić, czy dodanie pływających bakterii do płynu zmieni jego właściwości. W studium, które zostało opublikowane 7 lipca 2015 roku w „Physical Review Letters”, badacze wysuwają wniosek, że taki płyn w pewnych warunkach mógłby być używany jako mały silnik.
Naukowcy zanurzyli komórki bakterii Escherichia coli (pałeczki okrężnicy) w małej ilości wody i substancji odżywczych – było tych składników wystarczająco dużo, by bakterie żyły i poruszały się, ale też na tyle mało, aby nie mogły się reprodukować. Naukowcy wpuścili powoli roztwór do reometru, urządzenia do mierzenia lepkości, a następnie zarejestrowali, z jaką szybkością wirowania oraz w jakim stopniu nagromadzenia poruszają się próbki. Pozwoliło to obliczyć lepkość koktajlu bakteryjnego.
Gdy liczba bakterii wzrastała, spadała lepkość, potwierdzając przypuszczenia o skutkach, jakie wywierają na normalną ciecz ci aktywni pływacy o mikroskopijnych rozmiarach. Dodanie około 6 miliardów aktywnych bakterii szczepu E. coli obniżyło lepkość roztworu do zera. Współczynnik pozostał na tym poziomie także wówczas, kiedy zespół testował roztwory o wyższym stopniu nagromadzenia bakterii.
Dr Auradou jest pewny, że ta redukcja jest spowodowana aktywnością mikrobów, nie zaś żadnym innym czynnikiem. Z prostej przyczyny. – Gdy używaliśmy martwej bakterii, nic się nie zmieniało – twierdzi francuski fizyk.
Naukowcy nie wiedzą jednak, jak bakterie przeistaczają normalną ciecz w nadciecz. – Uważamy, że jest to rodzaj zbiorowego ruchu bakterii, którego jeszcze nie rozumiemy – mówi Auradou.
Przypuszcza się, że w całym zjawisku kluczową rolę mogą odgrywać wici, którymi napędzają się bakterie. Płynąc bowiem, walczą one z prądem, zmniejszając tym samym siłę miejscowych oddziaływań między molekułami, a te w ostateczności określają lepkość cieczy.
Dr Auradou twierdzi również, że kluczem do tego odkrycia okazał się liczący sobie dziesiątki lat reometr, którym dysponował zespół, a to głównie dlatego, że narzędziem tym można było mierzyć przepływ przy niskiej szybkości obrotów, potrzebnej do skutecznej obserwacji. – Nie można tego zrobić z aktualnymi reometrami, ponieważ są zbyt skomplikowane, a do tego przeznaczone, do mierzenia wyższej lepkości – przekonuje badacz.
Naukowcy zwiększyli wydajność przestarzałego urządzenia poprzez podłączenie go do sterowanego komputerowo silnika oraz do elektronicznego czytnika reakcji cieczy. – Najciekawsza w tej pracy jest chyba konstrukcja narzędzia – mówi Igor Aronson, fizyk z Argonne National Laboratory w stanie Illinois. – To wyjątkowe urządzenie zostało zaprojektowane specjalnie na potrzeby tego właśnie eksperymentu.
Na podstawie artykułu „Energetic bacteria form frictionless superfluids” (portal Nature.com)
