Новые эксперименты показывают, что вязкость жидкости может в значительной степени зависеть от того, какие микроорганизмы в ней обитают. Сразу две исследовательские группы в февральском и мартовском номерах журнала Physical Review Letters опубликовали материалы, в которых доказывается тот факт, что одноклеточные микроорганизмы, плавающие в жидкости, могут существенно влиять на значение вязкости. При этом влияние обусловлено не строением микроорганизмов, а тем, как именно они перемещаются в объеме жидкости.
Одноклеточные микроорганизмы могут перемещаться внутри жидкости двумя способами: «подталкивать» себя при помощи своеобразного «хвоста» и, наоборот, «подтягивать» себя вперед. Эти два варианта перемещения основаны на использовании различных сил. Первый тип микроорганизмов воздействует с определенной силой на слой жидкости позади себя, как бы «продавливая» передний слой своим телом. Второй тип действует наоборот, «подтягивая» себя к расположенному впереди слою жидкости. В каждом из случаев образуются различные формы потока, которые, как показали последние эксперименты, могут влиять на жидкость и в макро-масштабе, если концентрация микроорганизмов достаточно велика.
Теоретически для микроорганизмов вытянутой формы это предположение было сделано еще в 2004 году. Представим, что в жидкости расположен некий стержень, жидкость вверху от которого движется направо, а внизу – налево. Согласно стандартной теории, в этой ситуации стержень окажется в равновесии под определенным углом (а, например, сферический объект, будет непрерывно вращаться). В этом мысленном эксперименте микроорганизмы с различными способами перемещений могут как увеличивать, так и уменьшать данный угол (за счет изменения скоростей течения вещества). В свою очередь, вязкость – мера того, насколько жидкость легко движется под действием внешних сил, т.е., получается, что микроорганизмы могут как увеличивать, так и уменьшать вязкость.
Так в своих экспериментах ученые из Illinois Institute of Technology и Argonne National Laboratory показали, что раствор бактерий «с задним приводом» в воде имеет вязкость, равную всего лишь 1/7 вязкости самой воды. Управляя скоростью передвижения бактерий (биологическими методами), ученые добились возможности управлять изменением вязкости.
Вслед за коллегами, ученые из Joseph Fourier University работали над исследованием микроорганизмов «с передним приводом» - одной из разновидностей одноклеточной зеленой водоросли. Они сравнивали вязкость жидкости при различных концентрациях живых и мертвых клеток; в результате пришли к выводу, что она увеличивается гораздо быстрее, если микроорганизмы способны перемещаться. При 15% концентрации вязкость «живого» раствора была вдвое больше вязкости «мертвого». Самый удивительный факт, подмеченный в ходе исследований, заключается в том, что эффект наблюдается не только для организмов вытянутой формы (как предполагал теоретический расчет 2004 года), но и для сферических тел.
Таким образом, проведенные эксперименты частично подтверждают теоретические предположения, однако, открывают еще массу вопросов, требующих ответа. Более глубокое понимание этой проблемы могло бы в будущем способствовать развитию такого направления, как микрофлюидика, а также созданию устройств, позволяющих манипулировать отдельными живыми клетками.
