細菌群如何協同工作:在水中會形成\'不可思議\'超流體

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細菌群如何協同工作:在水中會形成"不可思議"超流體
2018年09月12日 08:29 新浪科技

  英國布裏斯托爾大學物理學家奧洛爾·洛伊斯（Aurore Loisy）說：“對於正常液體而言，超流體是不可能存在的，因為液體自身是不穩定的，但對於細菌來講，它們以某種方式運行，可能形成超流體。”
新浪科技訊 北京時間9月12日消息，據國外媒體報道，無摩擦裝置超出了物理學老師的想象範圍，畢竟這樣的裝置是很難獲得的。但是科學家最新研究表明，一群遊動細菌在水中可形成“不可思議”的超流體——這是一種無運動阻力的液體。令人難以置信的是，阻力（或者是人們所熟知的黏性作用力）甚至可以是負值，從而形成具有自推進力的液體，比如：它以一種似乎違背熱力學定律的方式轉動發動機。最近研究解釋了細菌如何協同工作，在水中形成“不可思議”的超流體。
英國布裏斯托爾大學物理學家奧洛爾·洛伊斯（Aurore Loisy）說：“對於正常液體而言，超流體是不可能存在的，因為液體自身是不穩定的，但對於細菌來講，它們以某種方式運行，可能形成超流體。”
長期以來，物理學家一直夢想著意外獲得一些重大發現，即使僅在奇異的思維實驗中。19世紀60年代，英國物理學家、數學家詹姆斯·麥克斯韋（James Maxwell）提出了著名的“麥克斯韋惡魔”概念，這是物理學領域假想的惡魔，它能探測並控製單個分子的運動，可以將快速空氣分子分流至房屋另一側，緩慢地將分子轉移至另一側，從而產生可以驅動一台發動機的溫差。1962年，理查德·費恩曼（Richard Feynman）談及一種微型齒輪裝置，當它被空氣分子撞擊時，它隻會朝向一個方向轉動，驅動發動機。但是這樣的觀點被熱力學第二定律打破，熱力學第二定律主張分子排序或者轉向時必須產生熱量，從而否定了以上兩種觀點。這就像詩人艾倫·金斯伯格（Allen Ginsberg）所說的，你不可能贏，也不可能“收支平衡”。
熱力學第二定律是熱力學基本定律之一，其表述為：不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體而不產生其他影響，或不可能從單一熱源取熱使之完全轉換為有用的功而不產生其他影響，或不可逆熱力過程中熵的微增量總是大於零。它又被稱為“熵增定律”，表明了在自然過程中，一個孤立係統的總混亂度（即“熵”）不會減小。
近期，越來越多的證據表明，雖然免費的午餐不在餐桌上，但是一種便宜的零食還是可以獲得的，因為它是建立在活動性液體的基礎之上。2015年，一支法國研究小組證實，大腸杆菌和水在一起，會出現不合乎自然規律的“順滑”。在實驗中，研究人員用兩個小板子夾著一滴水，然後記錄小板子以一定速度滑動的作用力。當液體中含有額外的懸浮顆粒（例如：水和泥漿混合物），通常液體變得很難攪拌，或者變得更加粘稠，但當這些顆粒能夠遊動時，結果卻恰恰相反。當溶液按體積調配0.5%的大腸杆菌時，可以保持小板子運動完全不需要任何作用力，這表明此時處於零黏度。一些實驗甚至發現該過程產生負黏度，當研究人員不得不對小板子運動施加一些作用力來阻止它們加速，液體能夠產生作用力，這對於任何惰性液體而言意味著違背了熱力學第二定律。
直接的結論是，這些生物體以一種中和溶液內部摩擦力的方式遊動，產生一種接近超流體的狀態，超流體具有零阻力。這種外觀表現的熱力學違背現象是一種錯覺，因為細菌起到抵消或者克服黏度的作用。
未參與這項研究的美國麻省理工學院數學家喬恩·東克爾（Jorn Dunkel）指出，每個細菌都極其脆弱，但是一群細菌在一起，能夠起到一定作用。如果在正確設置中有充足的細菌，那麽你就能讓溶液成為超流體。
但是大腸杆菌並非總是朝一個方向遊動，因此後續研究試圖找出是什麽因素在協調它們的運動。發表在今年7月出版的《美國國家科學院院刊》的一項研究表明，答案之一是細菌個體之間的相互作用。
研究報告合著作者、美國明尼蘇達大學物理學家程香（音譯）說：“當水溶液中細菌密度很高時，它們就開始聚集在一起，但這與成群的魚和成群的鳥不同，大腸杆菌的大量繁殖完全是基於它們物理特性，而不是一種動態響應。”
研究小組的實驗設置與法國研究小組進行的實驗十分相似，但是附帶的一個顯微鏡能夠讓他們跟蹤分析細菌行為。果然，當大腸杆菌混合物體積達到10-20%時，就形成了漩渦。當細菌在水中翻騰的時候，在微觀等級上其密度相當於蜂蜜一樣稠，會產生衝擊波拍打鄰近或者較遠的同伴。
東克爾說：“這有點兒像星係中有許多恒星，它們可以彼此影響，大腸杆菌在溶液中可以促進成群的細菌遊動，調整它們枕形身體。”小板子的運動可使局部行為全局化，拖動頂部小板子釋放剪切力在液體中產生波動，從而有效地組織和定位細菌群。
程香說：“如果沒有剪切力，大腸杆菌遊動方向是隨機的，在剪切力之下，你會發現所有細菌都在一定方向上排列。”一旦這些小板子的作用影響幫助細菌形成一個均勻排列，它們的遊動就會推動水，產生局部流動，進而改變溶液的屬性。
程香的實驗結果與一周前發表在《物理評論快報》上的一種新理論模型基本一致，為了建立一個數學框架描述2015年實驗，研究人員用新術語解釋大腸杆菌活動性，修改液體晶體屬性。
對於一種正常液體而言，這是不可能的，因為整個液體都是不穩定的，但是對於細菌而言，它是可以工作的。洛伊斯說：“他們的理論在實驗中再現了低黏度和負黏度，並預測細菌在小板子的壓力下可以在穩定狀態下集體定位，你會發現實際上你有兩種可能的狀態，兩種可能的平衡溶液。”
東克爾把這種效果比作將一張紙沿著頂部和底部進行折疊，當紙彎曲折疊時，會形成C和S狀結構。在此之前紙不太可能在這兩種配置中發生變化，程香教授在研究中還提出了細菌遊動時存在兩個較大範圍的方向，預測這兩個方向同時存在於不同細菌種群，實驗觀察到的細菌行為代表一個平均值。
關於這些效應如何導致集體超流體行為的細節仍有待研究，但是沒有人會對此質疑，能量從微觀到可見等級的轉移是真實獨特的，通常你不能這樣做，你不能使用液體驅動發動機。但是有了細菌能量，顯然是可以的。
東克爾說：“如果你在正常配備的溶液中釋放充足的細菌，它們實際上可實現結構性移動，這將產生利用板塊運動促進渦輪機轉動的可行性。”2015年這篇研究報告的合著作者、巴黎大學物理學家哈羅德·奧拉杜（Harold Auradou）稱，除了以細菌速度驅動一個非常小的發動機之外，其他潛在應用還包括“智能液體”，這種液體可以滲透到地下通道，排除石油或者其他汙染物質。當然，根據所有的說法，熱力學定律仍然是完全有效的。
洛伊斯說：“你並沒有在這裏做任何帶有魔力的事情。”有兩個因素使細菌溶液獲得實驗成功，而“麥克斯韋惡魔”和微齒輪概念卻沒有，首先，大腸杆菌自身充當微型發動機的作用，從水中的糖和氧新陳代謝能量。其次，為了保持大腸杆菌處於運動狀態，研究人員非常小心地保持營養均衡，如果大腸杆菌數量太少，它們就會逐漸餓死，如果數量太多，它們就會變得懶惰，就像人類一樣。
但是如果能量分布非常均勻，或者組織太混亂，那麽世界上所有能量都“於事無補”。一個係統需要不對稱結構將能量從一個地方轉移至另一個地方，例如：熱力發動機需要熱流體和冷流體，而水力渦輪機則需要水從高處流向低處。對於細菌來說，它的形狀是細長的，對水中的力量有反應。
洛伊斯說：“細菌在水中有一個首選方向，這樣就打破了水中的對稱性，但是如果細菌形成是球形的，那就達不到這樣的效果。”（葉傾城）