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  • 02/09/2018

Física

Enjambres de bacterias crean un superfluido «imposible»

Se ha explorado un resquicio que permite extraer energía útil del movimiento aparentemente aleatorio de un fluido. ¿El secreto? Azúcar y asimetría.

PNAS

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El agua, cuando contiene una concentración suficiente de E. coli u otras bacterias nadadoras (como en la animación que acompaña a esta noticia), puede actuar como un superfluido de viscosidad negativa [CDC/Janice Haney Carr].

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Como no sea en la imaginación de los profesores de física, no resulta fácil conseguir una máquina sin fricción. Pero poner un montón de bacterias nadadoras en una gota de agua consigue justo eso: un fluido que ofrece resistencia nula al movimiento. Por increíble que parezca, esa resistencia (o viscosidad, como se diría más apropiadamente) puede ser incluso negativa: se crea un líquido autopropulsor capaz de hacer, digamos, que un motor rote de una manera que parezca desafiar a las leyes de la termodinámica. Una investigación reciente explica cómo se coordinan las bacterias para lograr lo inverosímil.

«Para un fluido normal eso es imposible, ya que el conjunto sería inestable», dice Aurore Loisy, física de la Universidad de Bristol y coautora de uno de los nuevos estudios, «pero con las bacterias funciona por alguna razón».

Los físicos imaginan desde hace mucho el sacar algo de nada, aunque solo sea en fantasiosos experimentos mentales. Por la década de 1860, James Maxwell conjuró a un demonio omnisciente para que desviase las moléculas de aire veloces hacia un lado de una habitación y las lentas hacia el otro, creándose así una diferencia de temperatura que podría impulsar un motor. En 1962, Richard Feynman, de una forma apenas más práctica, habló en una de sus clases de un engranaje microscópico que, impelido por las moléculas del aire, giraba en una sola dirección e impulsaba así un motor. Pero ideas como esta sucumben ante la segunda ley de la termodinámica, que insiste en que aquella selección o este giro han de generar un calor que condena ambas ideas.

Desde hace poco se están acumulando los indicios de que, si bien nada es gratis, sí sería posible una considerable rebaja gracias a un sistema construido con un fluido vivo. En 2015 aparecieron las primeras rarezas en experimentos al demostrar un equipo francés que unas soluciones de E. coli y agua podían ser resbaladizas de un modo que no parecería natural. Emparedaban una gota entre dos pequeñas placas y registraban la fuerza necesaria para que una de ellas se deslizase a cierta velocidad. Lo usual es que resulte más difícil de agitar un fluido, que resulte más viscoso, cuando más partículas tenga en suspensión (piénsese en el agua y en el lodo), pero si las partículas nadan ocurre lo contrario. Cuando la solución era de alrededor de medio punto porcentual de E. coli, mantener la placa en movimiento no requería fuerza alguna: la viscosidad era nula. En algunos ensayos se midió incluso una viscosidad negativa: había que aplicar un poco de fuerza contra el movimiento de las placas para que no se acelerasen. El líquido estaba haciendo un trabajo. En un fluido inerte violaría la segunda ley.

La conclusión inmediata era que los organismos nadaban de una manera que neutralizaba la fricción interna de la solución y producía algo así como un superfluido, un líquido con resistencia cero. La aparente violación termodinámica era una ilusión: las bacterias eran las que hacían el trabajo de compensar o sobrepujar la viscosidad.

«Cada bacteria es debilísima, pero su fuerza está en el número», dice Jörn Dunkel, matemático del Instituto de Tecnología de Massachusetts que no participó en los experimentos.

Pero las E. coli no nadan todas en la misma dirección, así que investigaciones subsiguientes han intentado averiguar qué podría estar coordinando sus movimientos. Una de las respuestas, según unas investigaciones publicadas en julio en los Proceedings of the National Academy of Sciences, es que son las interacciones entre los individuos las que lo hacen.

«Cuando la densidad es alta, se ponen a nadar», afirma Xiang Cheng, físico de la Universidad de Minnesota y coautor del artículo. Pero al contrario que la natación de los bancos de peces y de las bandadas de aves, el enjambre de E. coli está impulsado puramente por sus características físicas; no se trata de una respuesta animada.

El montaje de los experimentadores se parecía al de los franceses, pero incorporaba un microscopio con el que seguían el comportamiento de las bacterias.Y sí, cuando el cóctel de E. coli alcanzaba entre un 10 y un 20 por ciento de bacterias en volumen se formaban remolinos. A medida que la bacterias surcaban el agua, que a su microscópica escala es espesa como la miel, producían ondas de choque que sacudían a sus compañeras, tanto cerca como lejos.

«Es un poco como tener un montón de estrellas en una galaxia y que puedan las unas afectar a las otras», dice Dunkel. Esas fuerzas alientan a grupos locales de E. coli nadadoras a alinear sus cuerpos, que tienen forma de píldora.

Entonces, el movimiento de las placas convierte el comportamiento local en global. Arrastrar la placa superior envía fuerzas de cizalladura que repercuten por el fluido, lo que organiza y orienta los enjambres.

«Sin la cizalladura, la dirección que toman los enjambres es aleatoria», explica Cheng. «Con cizalladura, las bacterias tienden a alinearse en ciertas direcciones».

Una vez que la influencia de las placas contribuye a que las bacterias se dispongan en una alineación promedio, su natación empuja el agua y genera flujos locales que transforman las propiedades a gran escala de la solución.

Los resultados del experimento de Cheng concuerdan grandemente con un nuevo modelo teórico, publicado justo una semana antes en Physical Review Letters. Sus creadores, cuyo propósito era obtener un marco matemático que describiese el experimento de 2015, modificaron las ecuaciones que se usan para los cristales líquidos añadiendo nuevos términos, correspondientes a la actividad de las bacterias.

Su teoría reproduce las viscosidades bajas y negativas vistas en los experimentos y predecía también que las bacterias se orientarían colectivamente conforme a múltiples patrones estables bajo la presión de las placas.

«Lo que se tiene es que hay realmente dos estados posibles, dos soluciones de equilibrio posibles», afirma Loisy.

Dunkel compara el efecto a sostener una hoja de papel a lo largo de sus bordes superior e inferior y juntar entonces las manos: al doblarse el papel, se pliega, bien con una forma de C, bien con una de S. Es improbable que abandone una de esas dos formas mientras no se la suelte. El trabajo de Cheng apunta también a la existencia de dos orientaciones a gran escala, pero espera que ambas se presenten simultáneamente en distintos grupos de bacterias, de forma que el comportamiento observado representará un promedio.

Todavía hay que detallar cómo contribuyen estos efectos al comportamiento colectivo superfluido, pero nadie pone en duda que la transferencia de energía de lo microscópìco a lo visible es real, y peculiar.

«Por lo usual, no se puede hacer eso. No se puede dar energía a un motor con un fluido», como dice Loisy.

Pero con la energía bacteriana, parece, sí se puede.

«Si se tienen bacterias suficientes y un montaje adecuado, se puede realmente hacer que muevan estructuras», afirma Dunkel, que suscita la fascinante posibilidad de controlar el movimiento de las placas para que gire una turbina.

Además de impulsar un motor muy pequeño a la velocidad de las bacterias, entre las aplicaciones posibles están los «líquidos inteligentes» que se infiltrarían en canales subterráneos para sacar afuera petróleo o contaminantes, según Harold Auradou, físico de la Universidad de Paris-Sur y coautor del artículo de 2015.

Claro está, se mire como se mire, las leyes de la termodinámica siguen en pie.

«No hay nada mágico ahí», dice Loisy.

Son dos los factores por los que las soluciones de bacterias triunfan donde fracasan los demonios y los microengranajes. En primer lugar, las propias E. coli actúan como pequeñas máquinas que metabolizan energía a partir del azúcar y del oxígeno del agua. Para que sigan moviéndose, los investigadores habían de poner mucho cuidado en conseguir el equilibrio perfecto de nutrientes. Si no eran los suficientes, se morían de hambre. Si eran demasiados, se volvían vagas.

«Son como los seres humanos», bromea Cheng.

Pero toda la energía del mundo no servirá de nada si está repartida demasiado uniformemente o de manera demasiado desorganizada. Un sistema necesita asimetría para extraer energía de un sitio y llevarla a otro. Las máquinas térmicas necesitan un fluido caliente y otro frío, por ejemplo, y las turbinas hidroeléctricas necesitan que el agua fluya desde un lugar elevado hasta otro que esté más abajo. En las bacterias, la simetría reside en su forma alargada, que responde a las fuerzas del agua.

«El mero hecho de que se alineen, de que haya una dirección preferida, rompe la simetría», explica Loisy. «Si fuesen esféricas, no funcionaría».

Charlie Wood / Quanta Magazine

Artículo traducido y adaptado por Investigación y Ciencia con permiso de QuantaMagazine.org, una publicación independiente promovida por la Fundación Simons para potenciar la comprensión de la ciencia.

Referencia: «Symmetric shear banding and swarming vortices in bacterial superfluids», de Shuo Guo et al. en PNAS, 115 (28), 7212-7217, y «Active Suspensions have Nonmonotonic Flow Curves and Multiple Mechanical Equilibria», de Aurore Loisy et al. en Phys. Rev. Lett. 121, 018001, que se puede leer también en arXiv:1803.00533 [cond-mat.soft].

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