Насколько вязкими могут быть черви?
Таким вопросом задались авторы статьи, опубликованной в Physical review letters 8 мая (1,2). "Мы экспериментально изучаем реологию длинных, стройных и спутанных живых червей Tubifex tubifex (трубочников)" - с места в карьер начинают они в абстракте статьи. Чтобы контролировать уровень активности, червей грели и охлаждали, для обездвиживания добавляли спирт. Черви ведут себя как линейный полимер, но вязкость "раствора" значительно меняется в зависимости от их активности.
Червей-трубочников выбрали как модель активной системы. "Активная" здесь подразумевает, что компоненты этой системы или "раствора"* двигаются сами по себе - используя запасённую в них энергию или преобразуя энергию из окружающей среды. Но макроскопических моделей для изучения таких систем очень мало. Трубочники хороши тем, что максимально не требовательных к условиям среды, легкодоступны (можно купить в аквариумном магазине) и невелики по размеру (10-30 мм). Черви извиваются примерно так же беспорядочно, как и полимеры под дейтсвием температуры.
Ранее подобные эксперименты проводились на частицах коллоида, клетках в целом и "растворах" бактерий (3,4). Кстати, с бактериями получилось забавно: можно уменьшить вязкость воды до нуля, просто добавив туда активно плавающих кишечных палочек. Ещё есть одна любопытная работа посявщена эластичным свойствам огненных - во всех смыслах - муравьёв (5) (см. видео).
Чтобы измерить вязкость червивого раствора, горсть трубочников залили водой и бросили в цилиндр, крышка которого плотно прижимается к раствору и вращается (см. видео и картинку 1). Животных нагревали и охлаждали от 5 до 30°С, чтобы заставить их извиваться больше или меньше (см картинку 2). В качестве контроля тот же опыт провели с добавлением этанола. "В пятипроцентном этаноле черви полностью обездвиживаются. Но если их промыть чистой водой, то через полчаса они бодры, как новенькие. Иногда лучше быть червём", - вздыхает первый автор статьи Deblais**, видимо, вспоминая своё последнее похмелье.
На низких оборотах активные черви оказались в 10-100 раз менее вязкими, чем их пьяные обездвиженные собратья. Возможно, потому, что активное движение помогало им не запутываться друг с другом. Тем не менее на высоких оборотах ситуация менялась: теперь нужно было прикладывать меньше усилий, чтобы повернуть крышку над неподвижными пьяницами, чем над шевелящимися трубочниками.
Если изучать вязкость обычных полимеров, то при более высоких оборотах она меньше (этот эффект называется shear thinning). Тут может быть две причины: либо из-за высокой скорости потока полимеры организованно выстраиваются в линеечку, и поэтому сопротивление уменьшается, либо полимеры "распутываются" - и, опять же, выстраиваются вдоль потока. Возможно, активные черви не уменьшали это сопротивление как раз потому, что двигались и не выстраивались в ряд :(
В общем, червей можно использовать в качестве модели активных полимеров. Причём активность понижает вязкость жидкости. А вот с повышением скорости потока более актвные "живые полимеры" остаются относительно вязкими, а более пассивные вязкость теряют***. Но нерешённых вопросов и противоречий ещё много. Например, модель для длинного полимера, состоящего из броуновских частиц, предсказывает противоположное - чем активнее полимер, тем менее вязким он становится при увеличении скорости. А вот модели, которые учитывают сжатие и растяжение молекул, исследователям нравятся больше. Ещё исследовать - не переисследовать.
Так и живём - пока биолог строгает одного червяка всю жизнь, физик берёт горсть червей и низводит их до простых активных полимеров...
_______________________________
* Слово раствор тут везде, конечно, должно использоваться в кавычках, так как это никакая не однородная система.
** У меня большое искушение прочитать фамилию автора несколько менее цензурным способом, чем предусмотрено общественными нормами, так что даже не буду переводить.
*** "shear thinning is reduced by activity" - это оригинальная формулировка.
Источники:
(1)Популярное изложение статьи:
https://physics.aps.org/articles/v13/76?utm_source=Nature+Briefing&utm_campaign=4d3d1489a2-briefing-dy-20200511&utm_medium=email&utm_term=0_c9dfd39373-4d3d1489a2-44461669 - Worm viscosity. Автор бзора - Michael Schirber, один из редакторов сайта https://physics.aps.org/
(2)Оригинал статьи:
Deblais, A., Woutersen, S. and Bonn, D., 2020. Rheology of Entangled Active Polymer-Like T. Tubifex Worms. Physical Review Letters, 124(18), p.188002. https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.124.188002
(3)О бактериях:
https://physics.aps.org/articles/v8/s77 - "Bacterial Superfluids: Self-propelling bacteria can reduce the viscosity of a fluid to zero through a collective organization of their swimming" И оригинал статьи - https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.115.028301
Остатьльные статьи о бактериях - в ссылках оригинальной статьи о тубифексах.
(4) Об эластичности клеток - хорошее объяснение того, почему клетку нельзя бездумно сравнивать с машиной:
Zhou, E.H., Martinez, F.D. and Fredberg, J.J., 2013. Cell rheology: mush rather than machine. Nature materials, 12(3), pp.184-185. https://www.nature.com/articles/nmat3574
Кстати (с точки зрения изучения английского), вот какое богатое на глаголы предложение во введении:
"Indeed, the cell has the capabilities to contract, stiffen, stretch, fluidize, reinforce, crawl, intravasate, extravasate, invade, engulf, divide, swell, shrink or remodel"
(5)Статья об огненных муравьях:
Tennenbaum, M., Liu, Z., Hu, D. and Fernandez-Nieves, A., 2016. Mechanics of fire ant aggregations. Nature materials, 15(1), pp.54-59. https://www.nature.com/articles/nmat4450 Кстати, один из авторов статьи - David Hu - герой нашумевшей истории с кубическими фекалиями вомбата.