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看细菌如何创造超流体 | 生物学与流体力学交叉研究

导语:

研究者们发现了一个"漏洞",从看似随机的流体运动中提取出了能量,秘方是什么?不对称性

编译:集智翻译组

来源:quantamagazine.org

原题:Swarming Bacteria Create an ‘Impossible’ Superfluid

四两拨千斤的细菌

如果你在合适的设备中放有足够多的细菌,实际上你可以让它们移动建筑物。 —— 麻省理工学院,Jörn Dunkel

除了物理老师假设的理想情况,现实中我们很难找到无摩擦的装置。但是,将一群游动的细菌放入一滴水中,我们却可以实现让水形成一种无运动阻力的流体。令人难以置信的是,这种阻力(或大家所熟知的,粘度)甚至可以变为负值,从而形成一种自我推进的液体,换而言之,这种液体以几乎违背热力学定律的方式发动了引擎。最近的研究解释了细菌是如何协同完成这项不可能完成的任务的。

英国布里斯托尔大学的物理学家,一项新研究的合作者 Aurore Loisy表示:“对于正常的液体来说,这是不可能的,因为整个过程都不稳定,但对于细菌来说,这种方法却很有效。”

即使只是在假象的思维实验中,物理学家一直梦想着不劳而获。19世纪60年代,詹姆斯·麦克斯韦想象出一个众所周知的恶魔——麦克斯韦妖(Maxwell's demon)——它可以将高速运动的空气分子分流到房间的一边,将慢速分子分流到另一边,由此产生温差,而后为引擎提供动力。

1962年,理查德·费曼(Richard Feynman)举了一个更贴近实际的例子。他描述了一种微型齿轮(microscopic gear),当被空气分子推动时,它只会向一个方向转动,从而驱动电机。但是这些梦想都被“热力学第二定律”打破了,根据该定律的表述,分类或转动齿轮的过程都必将产生热量,因此麦克斯韦和费曼的方案都失败了。正如诗人艾伦·金斯伯格所说的那样,你赢不了,你也无法退出。

超流体物质的涌现

最近,越来越多的证据表明,虽然没有免费的午餐,但是,做一些低廉的零食小吃却是可行的:使用有生命的流体构建一个可以自行做功的系统。2015年,一个奇怪的实验现象出现在世人面前:一个法国的研究小组证实大肠杆菌可能使液体会变得异常光滑。



研究者将一滴液体,夹在两个平板之间,记录了使一块平板以一定速度滑动所需的力。当液体含有额外的悬浮颗粒时(想想一下水与泥浆混合),液体通常会变得更难搅拌或更粘稠,但当颗粒会游泳时,情况恰恰相反。当溶液包含0.5%(按体积计)的大肠杆菌时,保持平板运动完全不需要任何力,这表示粘度为0。一些试验记录中甚至出现了粘度小于0,研究人员不得不对平板的运动施加一点阻力,以防止它加速。这些液体正在做功,这对于任何无生命的液体都意味着违反第二定律。

最直接的结论就是,有机体在以一种抵消溶液内部摩擦力的方式游动,因此产生类似超流体的物质,一种零阻力的液体。看起来违背热力学定律是错觉,因为细菌正在做功以抵消、克服粘度。

“每一个细菌都非常弱小,但胜在了数量多”,并没有参与这项实验的麻省理工学院数学家 Jörn Dunkel表示。

“如果有足够的细菌做有用功,那么我们甚至可以移动建筑结构”,麻省理工的Jörn Dunkel教授说。

但是,大肠杆菌通常不会同时向相同方向游动,因此,后续的研究就试图找出可以协调其运动的因素。根据在7月的《美国国家科学院院刊》(PNAS)上发表的研究结果表明,一个答案就是个体间的相互作用。

PANS论文地址:

http://www.pnas.org/content/115/28/7212

明尼苏达大学的物理学家,该论文的合作者 Xiang Cheng表示:“当你给定够高的密度时,大肠杆菌们开始集簇成群。”但是,与成群的鱼和鸟不同,大肠杆菌的集群纯粹是由它们的身体的物理特征导致的,而不是主观意识带来的反应。

这些研究者的设备与法国研究团队的设备类似,但是附加的显微镜允许他们跟踪细菌的行为。果然,当“大肠杆菌鸡尾酒”浓度达到10-20%时(按体积计),涡流形成了。在微观尺度上,细菌在水中穿行的感觉像在穿行浓稠的蜂蜜,它们产生的冲击波冲击着近处和远处的同伴。

Dunkel 说,“这种感觉有点像,在银河系中的有很多星球,它们互相影响。”这种力量促使附近游动的大肠杆菌群调整它们药丸形的身体的方向。

接下来,平板的运动使局部行为全局化。拖动上层平板会使剪切应力在流体中传播开,从而有效地组织和定向整个群体。

“没有剪切应力,细菌在群体中的运动方向是随机的,”Cheng说到,“在剪切应力作用下,会倾向于让所有细菌在某些方向上排列游动。”

一旦平板的影响导致菌群定向排列,它们的游动就会推动水,并产生局部的水流,而后在更宏观的尺度上改变溶液的特征。

细菌解决方案成功的条件

Cheng的实验结果与一周前发表在《物理评论快报》(PRL)上的新理论模型基本一致。为了做出一个描述 2015 年的实验的数学模型,研究人员用描述细菌活动性的新术语修改了用于描述液晶的方程式。

PRL论文地址:

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.018001

“对于一个正常的液体来讲,因为液体内部会不稳定,所以类似的现象是不可能存在的,但是对于细菌来讲似乎可行。”Aurore Loisy,布里斯托大学的教授如是说。

他们的理论再现了实验中所见的低粘度和负粘度,并预测细菌在平板压力下可以以多种稳定的模式集体定向运动。

Loisy表示,“实际上,你会发现有两种可能的状态,有两种可能的平衡解。”

Dunkel把这个效果做了一个比喻:拿着一张纸的上下两个边缘,双手靠近,纸会弯曲成 C 型或 S 型。除非放手,纸无法从这两种形态改变。Cheng的工作也揭示了,两种大尺度上的定向,但他预计两者同时存在于不同的细菌群中,并且人类观察到的宏观表现,实际上是两种定向运动综合之后的总体效果。





关于这些效应是如何导致群体呈现超流体行为的细节仍有待研究解决,但是没有人质疑从微观的到宏观的能量转移是不是真的,是不是太过古怪而让人无法接受。

“通常你不能这样做。你不能给装有液体的发动机供电”,Loisy说。

但很显然,“细菌电力”可以做到这一点。

“如果你在合适的设备中合理配置了足够多的细菌,实际上你可以让它们移动建筑物。”,Dunkel这样描述。非常诱人的是,这提高了利用平板运动来转动涡轮的可能性。

据巴黎第十一大学的物理学家,2015年论文的合作者 Harold Auradou说,除了可以以“细菌速度”驱动一个非常小的马达以外,其他潜在的应用还包括“智能液体”:这种溶液可以渗入地下管道以排出原油或污染物的 。

当然,从各方面来看,热力学定律仍然完全有效。

“无法在热力学第二定律上做任何戏法。”Loisy说。

有两个因素使得细菌解决方案得以成功,而麦克斯韦妖和微型齿轮方案却无法成功。

首先,大肠杆菌本身就类似于小小的引擎,代谢水中糖和氧的能量。为了让它们保持活力,研究人员非常注意使营养素平衡得恰到好处。太少了,它们会挨饿。太多,它们也会变懒。

“它们就像人类。”Cheng笑道。

第二个因素就是,世间的能量分布如果过于无序或均匀,那么人类要想对它们进行利用就无从谈起了。一个系统需要不对称性来将能量从一个位置转移到另一个位置。例如,热机需要热水和冷水,水力涡轮机需要水从高处流到低处。对于细菌,是因为它们的细长形状,这样的形状使其对水中的应力做出了反应。

Loisy说:“他们整齐排列的本质就是,有一个优先的方向打破了细菌们的运动对称性。如果它们是球形的,这些方法就不太可能奏效了。”

翻译:Leo

审校:陈曦

编辑:李沛欣

原文链接:

https://www.quantamagazine.org/authors/charlie-wood

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