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细菌群如何协同工作:在水中会形成"不可思议"超流体

2018年09月12日 10:22:29  来源:新浪  编辑:滑稽

英国布里斯托尔大学物理学家奥洛尔·洛伊斯(Aurore Loisy)说:“对于正常液体而言,超流体是不可能存在的,因为液体自身是不稳定的,但对于细菌来讲,它们以某种方式运行,可能形成超流体。”

新浪科技讯 北京时间9月12日消息,据国外媒体报道,无摩擦装置超出了物理学老师的想象范围,毕竟这样的装置是很难获得的。但是科学家最新研究表明,一群游动细菌在水中可形成“不可思议”的超流体——这是一种无运动阻力的液体。令人难以置信的是,阻力(或者是人们所熟知的黏性作用力)甚至可以是负值,从而形成具有自推进力的液体,比如:它以一种似乎违背热力学定律的方式转动发动机。最近研究解释了细菌如何协同工作,在水中形成“不可思议”的超流体。

英国布里斯托尔大学物理学家奥洛尔·洛伊斯(Aurore Loisy)说:“对于正常液体而言,超流体是不可能存在的,因为液体自身是不稳定的,但对于细菌来讲,它们以某种方式运行,可能形成超流体。”

长期以来,物理学家一直梦想着意外获得一些重大发现,即使仅在奇异的思维实验中。19世纪60年代,英国物理学家、数学家詹姆斯·麦克斯韦(James Maxwell)提出了著名的“麦克斯韦恶魔”概念,这是物理学领域假想的恶魔,它能探测并控制单个分子的运动,可以将快速空气分子分流至房屋另一侧,缓慢地将分子转移至另一侧,从而产生可以驱动一台发动机的温差。1962年,理查德·费恩曼(Richard Feynman)谈及一种微型齿轮装置,当它被空气分子撞击时,它只会朝向一个方向转动,驱动发动机。但是这样的观点被热力学第二定律打破,热力学第二定律主张分子排序或者转向时必须产生热量,从而否定了以上两种观点。这就像诗人艾伦·金斯伯格(Allen Ginsberg)所说的,你不可能赢,也不可能“收支平衡”。

热力学第二定律是热力学基本定律之一,其表述为:不可能把热从低温物体传到高温物体而不产生其他影响,或不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生其他影响,或不可逆热力过程中熵的微增量总是大于零。它又被称为“熵增定律”,表明了在自然过程中,一个孤立系统的总混乱度(即“熵”)不会减小。

近期,越来越多的证据表明,虽然免费的午餐不在餐桌上,但是一种便宜的零食还是可以获得的,因为它是建立在活动性液体的基础之上。2015年,一支法国研究小组证实,大肠杆菌和水在一起,会出现不合乎自然规律的“顺滑”。在实验中,研究人员用两个小板子夹着一滴水,然后记录小板子以一定速度滑动的作用力。当液体中含有额外的悬浮颗粒(例如:水和泥浆混合物),通常液体变得很难搅拌,或者变得更加粘稠,但当这些颗粒能够游动时,结果却恰恰相反。当溶液按体积调配0.5%的大肠杆菌时,可以保持小板子运动完全不需要任何作用力,这表明此时处于零黏度。一些实验甚至发现该过程产生负黏度,当研究人员不得不对小板子运动施加一些作用力来阻止它们加速,液体能够产生作用力,这对于任何惰性液体而言意味着违背了热力学第二定律。

直接的结论是,这些生物体以一种中和溶液内部摩擦力的方式游动,产生一种接近超流体的状态,超流体具有零阻力。这种外观表现的热力学违背现象是一种错觉,因为细菌起到抵消或者克服黏度的作用。

未参与这项研究的美国麻省理工学院数学家乔恩·东克尔(Jorn Dunkel)指出,每个细菌都极其脆弱,但是一群细菌在一起,能够起到一定作用。如果在正确设置中有充足的细菌,那么你就能让溶液成为超流体。

但是大肠杆菌并非总是朝一个方向游动,因此后续研究试图找出是什么因素在协调它们的运动。发表在今年7月出版的《美国国家科学院院刊》的一项研究表明,答案之一是细菌个体之间的相互作用。

研究报告合著作者、美国明尼苏达大学物理学家程香(音译)说:“当水溶液中细菌密度很高时,它们就开始聚集在一起,但这与成群的鱼和成群的鸟不同,大肠杆菌的大量繁殖完全是基于它们物理特性,而不是一种动态响应。”

研究小组的实验设置与法国研究小组进行的实验十分相似,但是附带的一个显微镜能够让他们跟踪分析细菌行为。果然,当大肠杆菌混合物体积达到10-20%时,就形成了漩涡。当细菌在水中翻腾的时候,在微观等级上其密度相当于蜂蜜一样稠,会产生冲击波拍打邻近或者较远的同伴。

东克尔说:“这有点儿像星系中有许多恒星,它们可以彼此影响,大肠杆菌在溶液中可以促进成群的细菌游动,调整它们枕形身体。”小板子的运动可使局部行为全局化,拖动顶部小板子释放剪切力在液体中产生波动,从而有效地组织和定位细菌群。

程香说:“如果没有剪切力,大肠杆菌游动方向是随机的,在剪切力之下,你会发现所有细菌都在一定方向上排列。”一旦这些小板子的作用影响帮助细菌形成一个均匀排列,它们的游动就会推动水,产生局部流动,进而改变溶液的属性。

程香的实验结果与一周前发表在《物理评论快报》上的一种新理论模型基本一致,为了建立一个数学框架描述2015年实验,研究人员用新术语解释大肠杆菌活动性,修改液体晶体属性。

对于一种正常液体而言,这是不可能的,因为整个液体都是不稳定的,但是对于细菌而言,它是可以工作的。洛伊斯说:“他们的理论在实验中再现了低黏度和负黏度,并预测细菌在小板子的压力下可以在稳定状态下集体定位,你会发现实际上你有两种可能的状态,两种可能的平衡溶液。”

东克尔把这种效果比作将一张纸沿着顶部和底部进行折叠,当纸弯曲折叠时,会形成C和S状结构。在此之前纸不太可能在这两种配置中发生变化,程香教授在研究中还提出了细菌游动时存在两个较大范围的方向,预测这两个方向同时存在于不同细菌种群,实验观察到的细菌行为代表一个平均值。

关于这些效应如何导致集体超流体行为的细节仍有待研究,但是没有人会对此质疑,能量从微观到可见等级的转移是真实独特的,通常你不能这样做,你不能使用液体驱动发动机。但是有了细菌能量,显然是可以的。

东克尔说:“如果你在正常配备的溶液中释放充足的细菌,它们实际上可实现结构性移动,这将产生利用板块运动促进涡轮机转动的可行性。”2015年这篇研究报告的合著作者、巴黎大学物理学家哈罗德·奥拉杜(Harold Auradou)称,除了以细菌速度驱动一个非常小的发动机之外,其他潜在应用还包括“智能液体”,这种液体可以渗透到地下通道,排除石油或者其他污染物质。当然,根据所有的说法,热力学定律仍然是完全有效的。

洛伊斯说:“你并没有在这里做任何带有魔力的事情。”有两个因素使细菌溶液获得实验成功,而“麦克斯韦恶魔”和微齿轮概念却没有,首先,大肠杆菌自身充当微型发动机的作用,从水中的糖和氧新陈代谢能量。其次,为了保持大肠杆菌处于运动状态,研究人员非常小心地保持营养均衡,如果大肠杆菌数量太少,它们就会逐渐饿死,如果数量太多,它们就会变得懒惰,就像人类一样。

但是如果能量分布非常均匀,或者组织太混乱,那么世界上所有能量都“于事无补”。一个系统需要不对称结构将能量从一个地方转移至另一个地方,例如:热力发动机需要热流体和冷流体,而水力涡轮机则需要水从高处流向低处。对于细菌来说,它的形状是细长的,对水中的力量有反应。

洛伊斯说:“细菌在水中有一个首选方向,这样就打破了水中的对称性,但是如果细菌形成是球形的,那就达不到这样的效果。”(叶倾城)

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