NeoFronteras

Noria bacteriana

Área: Física,Tecnología — lunes, 26 de octubre de 2009

Explotan el movimiento aleatorio de bacterias para conseguir movimiento neto en una dirección dada.

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Diversos fotogramas en los que se puede ver cómo las bacterias del exterior hacen mover una rueda dentata a partir de su movimiento aleatorio. Foto: Roberto Di Leonardo.

Hace no tanto tiempo se ataban los burros a las norias para poder extraer agua de los pozos. Los pobres animales daban vueltas y vueltas mientras que el preciado líquido se derramaba en la tierra para regar las huertas. Este método fue introducido por los musulmanes cuando invadieron la península ibérica, pero, al menos en España, ya no quedan norias de este tipo en funcionamiento, aunque todavía quede alguna en estado ruinoso.
¿Se podría hacer lo mismo a escala microscópica usando un microbio en lugar de un burro? Pues parece ser que sí es posible. A diferencia del burro que se le puede obligar a girar en un sentido concreto, a la bacteria E. coli no se la puede arrear ni atar tan fácilmente. En su lugar quizás nos podemos valer del movimiento aleatorio de ésta para obtener un movimiento neto en un sentido concreto.
La idea que tuvo un grupo italiano de investigadores fue usar una rueda dentada microscópica de tipo trinquete alrededor de la cual bacterias E. coli podían nadar libremente. Según ellos este tipo de dispositivos podrían usarse para proporcionar energía a micromáquinas o (en un ataque de optimismo) como fuente macroscópica de energía.
Las bacterias nadan a través de los fluidos gracias al uso de unos elementos rotatorios embebidos en sus paredes celulares. Estos “motores” mueven unos filamentos en forma de hélices que pueden girar en ambos sentidos. Algunos investigadores han usado este movimiento en el pasado para impulsar microestructuras, pero como las bacterias se mueven al azar es muy difícil de controlar su movimiento sin añadir productos químicos.
Ahora, Roberto Di Leonardo y sus colaboradores de la Universidad La Sapienza de Roma han mostrado cómo explotar el movimiento aleatorio de bacterias E. coli sin intentar controlar las propias bacterias. Para ello explotan el hecho de que una colección de bacterias inmersas en un líquido representa un sistema fuera del equilibrio termodinámico. Este sistema fuera del equilibrio, dicen, debe proporcionar un movimiento ordenado sobre un objeto asimétrico, en contraste con el movimiento browniano generado por moléculas en equilibrio termodinámico, como el sufrido por granos de polen suspendidos en agua.
Así que se pusieron manos a la obra y mediante fotolitografía construyeron ruedas dentadas de tipo trinquete (con dientes asimétricos) de 48 micras de anchura y 10 micras de grosor a partir del polímero SU8. Depositaron estas ruedas en la superficie de una lámina de vidrio sobre la que vertieron una suspensión líquida de E. coli, permitiendo que las ruedas acumularan una interfase liquido-aire para que así se impidiera que las fuerzas de capilaridad produjeran una fuerte adhesión entre las dos superficies (la de la rueda y la de la lámina de vidrio).
Los investigadores observaron entonces lo que pasaba, y pudieron comprobar que la forma asimétrica de los dientes de la rueda favorecían el movimiento de la rueda en una dirección cuando las bacterias chocaban reiteradamente con ese obstáculo (ver foto). Filmando lo que ocurría pudieron medir la velocidad de giro, que era de 1 revolución por minuto en promedio, valor que encaja con las simulaciones numéricas que habían hecho previamente.

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No existe un mecanismo de “uñeta” que impida el retroceso de la rueda. Son las propias bacterias las que, con su movimiento, hacen prevalecer el giro en un sentido. Como se puede ver en b) o en c) las bacterias que se ven arrinconadas (flechas blancas) en un diente empujan netamente más que otras bacterias (flechas negras) con otras trayectorias. Incluso lo pueden hacer de manera cooperativa como en d). Foto: Roberto Di Leonardo.

Según Di Leonardo, el rendimiento de este tipo de dispositivo se puede incrementar tremendamente. Hace notar que la velocidad lineal en el borde es de 2,5 micras por segundo mientras que las bacteria nadan a unas 20 micras por segundo. Cree que jugando con la forma de los dientes y usando otro tipo de bacterias o concentraciones bacterianas se podría aumentar el rendimiento. Esto es algo que esperan poder investigar en el futuro.
Este grupo de investigadores cree que es posible crear una nueva tecnología micromecánica basada en este tipo idea. Según ellos se podrían crear micrormáquinas pasivas que fueran alimentadas mediante su simple inmersión en un líquido con microorganismos y sin necesidad de aplicar un campo eléctrico o magnético externo que les proporcione energía para su funcionamiento. En el fondo toda la idea se basa en la conversión de energía química (las sustancias metabolizadas por las bacterias) en energía mecánica.
La aplicación práctica está por ver, pero al menos la idea es interesante. Sobre todo ilustra la gran diferencia que puede haber entre sistemas fuera del equilibrio termodinámico de los que sí lo están. Al fin y al cabo estas bacterias no son diablillos de Maxwell.

Fuentes y referencias:
Noticia en Physicsworld.
Copia artículo original.

Salvo que se exprese lo contrario esta obra está bajo una licencia Creative Commons.
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16 Comentarios

  1. Nemo:

    Curioso e interesante experimento. Pero conviene explicar mejor qué bloquea el trinquete, porque sólo los empujes de las bacterias, con una distribución estadísticamente uniforme sobre el mismo, no producen un empuje neto en una dirección, como no lo harían las moléculas de un fluído sometido a presión estática (o tendríamos un perpetuum mobile). La distinción entre sistemas dentro o fuera del equilibrio termodinámico me parece confusa, pues sólo implica que las bacterias disponen de energía para moverse autónomamente, no que lo hagan coordinadamente; en ese caso bastaría una rueda con palas simétricas. Por tanto entiendo que es la menor resistencia hidrodinámica del trinquete en un sentido la que determina un movimiento neto de rotación acumulado.
    Como fuente de energía no le veo utilidad. Las bacterias viven en último término de la luz solar, y un simple fluído en un circuito cerrado puesto al sol generaría una convección mucho más eficiente. Sí puede ser útil para formar tornos que cuenten o seleccionen bacterias confinándolas en diferentes recintos en función de su actividad.

  2. NeoFronteras:

    No existe un mecanismo de “uñeta” que impida el retroceso de la rueda. Son las propias bacterias las que, con su movimiento, hacen prevalecer el giro en un sentido. Se ha añadido una foto más que lo explica.

  3. tomás:

    Estimado Nemo: Un ejemplo macro de que eso es perfectamente posible es la existencia de anemómetros -de cazoletas- que algunas veces se ven junto o sobre las veletas. Es la forma del artilugio la que propicia que, cualquiera que sea la dirección del empuje siempre se mueva en el mismo sentido, aunque las ilustraciones ya lo dejan claro.
    La energía será obtenida por las bacterias de su alimento que les permitirá mantener su movimiento y su temperatura. No hay, por tanto, movil perpetuo.
    Estoy seguro que esto podría conseguirse con el movimiento browiano y en este caso habría que suminiistrar calor.
    Un cordial saludo.

  4. Nemo:

    Neo: Admito que cierto movimiento autónomo bacteriano siga unos patrones que -a diferencia del simple rebote elástico- puedan producir una mayor presión en las regiones cóncavas de los dientes. Pero también existe inevitablemente una diferencia de resistencia hidrodinámica en los dos sentidos de giro. En cualquier caso se necesita un aporte de energía exterior al sistema para que la rueda gire.

    Tomás: el anemómetro sólo gira si hay una corriente de aire, es decir, un movimiento cooordinado de moléculas. Un anemómetro encerrado en un recipiente con gas no gira. Tampoco creo que lo pueda hacer si se calienta, mientras el calentamiento sea uniforme y no provoque diferencias locales de presión.

  5. NeoFronteras:

    Obviamente esto no viola ningún principio de la Termodinámica. Si se pudiera hacer con el movimiento browniano sí se violaría, esté o no caliente, pues lo importante para obtener trabajo es que haya un gradiente de temperatura, algo que en el equilibrio termodinámico no se tiene. La diferencia entre granos de polen y bacterias es que éstas “quieren” escapar mientras los granos de polen no tienen ninguna “voluntad”. El sistema es alimentado con energía procedente de las sustancias que estas bacterias metabolizan, tal y como se dice en el texto. No son tan distintas de una mula tirando de una noria o un ratón en la rueda de ejercicio.

  6. Nemo:

    Aclarado y conforme.

  7. tomás:

    Difiero de Nemo: Un anemómetro suficientemente ligero, pequeño y sin rozamiento, es decir, prácticamente el mismo mecanismo del artículo, pero aún más “sutil” giraría en el mismo sentido por los choques aleatorios y sin dirección común de las moléculas de un gas.
    También difiero de Neo: El movimiento browniano es más enérgico a mayor temperatura puesto que las moléculas que lo provocan tienen más agitación. L diferencia de nivel está entre el calor exterior y el seno del fluido que iría perdiendo temperatura conforme las moléculas y partículas se agitan. Si no fuese así tendríamos el movil perpetuo puesto que obtendríamos agitación gratuita. Un fluido se enfría por esa agitación a no ser que tome calor del ambiente que le rodea.
    Salodos cordiales y discrepantes para ambos.

  8. NeoFronteras:

    Estimado Tomás:
    La ciencia tiene su historia y terminología que tal vez no son las más apropiadas, pero que una vez se han introducido es difícil cambiarlas. El término “móvil perpetuo” se refiere a máquinas que produzcan trabajo de manera continua sin aporte de energía externa. Es decir, máquinas que violasen el primer principio de la Termodinámica. Ya en el siglo XIX las academias de ciencia se negaron a aceptar estudios en los que presuponía haber encontrado este tipo de máquinas. Cosas que se muevan perpetuamente sí existen. Las moléculas de una gas, la corriente en un anillos superconductor, los planetas alrededor del Sol… Todos ellos se mueven de manera permanente, pero no producen trabajo.
    A mayor temperatura el movimiento browiniano es más activo, pero eso no significa que se pueda obtener trabajo. Al igual que no se puede obtener trabajo de una gas cuyas moléculas a temperatura ambiente se mueven a cientos de metros por segundo. Para obtener trabajo se necesitan dos focos a diferente temperatura.
    El microanemómetro no funcionaría.

  9. Nemo:

    Tomás, un anemómetro sin rozamiento podría efectivamente girar por sí mismo, pero sólo en el vacío ideal, por inercia. En cualquier otro caso, si gira roza siempre ¡con el mismo fluído! Por lo tanto realizaría un trabajo -primero acelerarlo y a la postre calentarlo- para lo cual se necesitaría un aporte de energía exterior. El movimiento browniano en el interior de un fluido aislado y en equilibrio no realiza un trabajo, es realmente agitación gratuíta. Y no se puede distinguir entre agitación y temperatura, son la misma cosa. Los cuerpos se enfrían cuando pierden agitación molecular transmitiéndola a su entorno, que se calienta simétricamente.

  10. RicardM:

    Me permito agradecer a Neo, Nemo y Tomás la gran y amena lección de física con la que me han obsequiado.

    Saludos cordiales.

  11. lluís:

    Los planetas alrededor del Sol se mueven perpetuamente y no producen trabajo, afirma Neo.Pues yo no lo veo tan claro que no se produzca un trabajo, tenemos por un lado la fuerza de la gravedad que sujeta a los planetas en sus órbitas y por otro lado hay un desplazamiento de los planetas alrededor del Sol ( y del Sistema Solar alrededor de la Galaxia;y el trabajo se puede definir como un producto escalar de la fuerza (de la gravedad en este caso)por el desplazamiento que se produce (el de los planetas), luego parece que debería haber un trabajo en el ejemplo de los planetas alrededor del Sol,¿no?.
    Saludos a todos.

  12. NeoFronteras:

    No se produce trabajo o emisión de energía en el sistema solar, salvo la que proporciona el Sol mediante reacciones de fusión nuclear. Aunque se pueden diseñar sistemas de trasferencia de energía como el usado por las sondas espaciales (“honda” gravitatoria) para ganar velocidad, pero la energía que gana la sonda la pierde el planeta de turno por el que ha pasado.
    También se pueden diseñar sistemas impulsados por el viento solar.

  13. tomás:

    Muy estimado Neo: Gracias por la apertura. Aprecio en verdad la paciencia casi paternal con que te diriges a mí en tu aclaración sobre el móvil perpetuo. Su concepto -¡cuanta sutiliza!- está implícito en mis comentarios 3, en cuyo final hablo de “suministrar calor” y 7, donde también menciono “la diferencia de nivel entre el calor exterior y el seno del fluido”. Pero de verdad que te lo agradezco y valoro tu didáctica. Todo lo que me ayude a aprender es bienvenido.

    Si las bacterias de mi comentario 3 se alimentan, su temperatura aumenta y una parte de esa diferencia con el medio externo la emplean en aumentar su energía cinética. En cuanto igualen su temperatura con el exterior, ya no “trabajarán”.
    Pero hablemos del movimiento Browniano, que no es otra cosa que la agitación de partículas mayores, producida por la energía cinética de las moléculas del fluido. Esta da la medida de su temperatura. Si unas moléculas chocan contra la partícula, le transmiten energía y la mueven, por tanto hay un trabajo entre esos elementos: lo que uno gana, otros lo pierden. Si el sistema total está aislado, como algo de esto dice Nemo, ningún trabajo saldrá al exterior. Si no lo está, las moléculas del gas cederán energía a las partículas y disminuirá la energía cinética de esas moléculas, es decir, su temperatura: disminuirá la temperatura del gas que tomará calor del exterior.
    A mi modo de ver se realiza un trabajo. Si no fuera así, las partículas ligeramente más densas se depositarían en el fondo al cabo de un tiempo, lo que no sucede dentro de ciertos límites. Por tanto ya tenemos una resistencia que vencer a costa de trabajo. Y tranquilos que no persigo ningún móvil perpetuo como no sea el que tengo que me gustaría fuese más duradero.
    Seguiré, no cosa se corte.

  14. tomás:

    Sigo:
    Otra cosa es considerar si el sólo recorrer la órbita de un planeta, pongamos la Tierra, es un trabajo. Despreciando la resistencia del levísimo gas espacial, no lo es, puesto que la Tierra cambia de dirección si imaginamos un espacio cartesiano, pero según Einstein, en un espacio deformado por la gravedad, su trayectoria equivale a una “recta”, es decir que no precisa fuerza para cambiar de dirección. Por tanto no realiza trabajo al recorrer su órbita, como no lo necesitaría una canica para ir de polo a polo en un planeta perfectamente liso y sin rozamiento que vencer, una vez iniciado el movimiento, aunque sí para el impulso inicial.
    La contestación de Neo a lluís debería tener en cuenta que sí hay trabajo precisamente en el ejemplo que nombra cuando un planeta gana energía a costa de que otro la pierda, pero es un trabajo que no sale del sistema, sólo energía transferida entre los dos objetos considerados. Y esto se manifiesta más cuando los cuerpos son deformables, como sucede, por ejemplo en el sistema Sol-Tierra-Luna con las mareas. Y no vale eso de que lo que uno gana lo pierde otro pues eso pasa siempre: el trabajo que produce el motor es energía química que pierde el combustible. Y, entre planetas, ya sabemos que la Luna se aleja de la Tierra por este motivo. Son casos diferentes, naturalmente, sólo lo digo por el argumento.
    Sigo inmediatamente.

  15. tomás:

    Continuo y espero acabar para no abusar:
    En la corriente del anillo superconductor ya no me atrevo a pronunciarme, pero me gustaría saber. Para mí, el secreto está en lo que apunta Nemo: “sistema aislado”. Si el sistema está realmente aislado no hay pérdida de calor que pueda escapar ni ser suministrado. Es sólo una opinión inexperta, pero diría que si el anillo está recorrido por una corriente y no está totalmente aislado, ¿? ha de ganar temperatura, supongo que a costa de la estructura de sus órbitas atómicas y que emite calor a su alrededor el cual ha de ser enfriado por un refrigerador que consume energía externa o en su defecto, disminuir la intensidad de la corriente hasta que se anule si se abandona a sí mismo. Porque los electrones, forzosamente han de interactuar aunque sea levemente, salvo que en el microepacio también se produjeran deformaciones similares a las del macro y que sólo se hicieran patentes a muy bajas temperaturas, precisamente por la mayor inmovilidad de átomos y moléculas que proporcionarían un espacio estable compatible con ese movimiento. Bueno, esto es pura especulación, pero me baso en que los cables conductores de corriente pierden potencial y se calientan en el transporte de la energía eléctrica. Si el sistema está aislado, lo que pierde uno , o gana otro y no pasa nada fuera del sistema, pero si no está aislado la cosa cambia porque los electrones que recorren la superficie, que imagino serán casi todos como en toda corriente eléctrica, algo se relacionan con el medio externo y…
    En fin, un saludo dubitativo y deseoso de ser corregido si yerro.

    Nemo: gracias por la aclaración, pero mi intención era resaltar lo fundamental de la forma del aparato y que la noria descrita y el anemómetro, en ese sentido, son idénticos.

    Un abrazo a todos, perdón por la extensión abusiva y gracias por vuestra paciencia si lograis acabar de leerme sin dormiros.

  16. NeoFronteras:

    Estimado Tomás:
    La termodinámica es incluso aún más sutil de lo que imagina. Esta rama de la Física no sólo habla de energía y su conservación (primer principio), sino de su calidad. La calidad de la energía se va degradando de tal modo que la energía libre capaz de producir trabajo es cada vez menor. Y como ya sabemos, una de las pocas cosas que nos indican en Física la flecha del tiempo es precisamente el aumento de entropía.
    La Termodinámica se creó al revés de las demás ciencias. En lugar de descubrirse una base teórica y luego obtenerse una tecnología, primero se inventaron las máquinas de vapor y luego se desarrolló sus bases teóricas de funcionamiento.
    La Termodinámica es universal y se puede aplicar a gases, sistemas magnéticos o incluso a agujeros negros.
    Por todo esto la Termodinámica es es la rama de la Física más terrenal, práctica, sensata y lógica de todas. Los famosos principios no son demostrados, sino que se asumen como verdad por ser evidentes. Ya en el siglo XIX se negaron a revisar estudios sobre móviles perpetuos, sobre todo porque era una pérdida de tiempo. De ahí la pereza a discutir sobre ellos o sobre diablillos de Maxwell.

    Efectivamente todo depende de si tenemos un sistema cerrado o abierto o si consideramos una partícula o su conjunto. La temperatura es una propiedad colectiva de un conjunto de partículas, por eso carece de sentido decir que una molécula está a cierta temperatura. La Física Estadística y la Cinemática de Gases explican cómo a partir de una colectividad de partículas recuperamos las propiedades termodinámicas.

    Y efectivamente, la energía que gana una sonda espacial asistida gravitatoriamente por un planeta la pierde este último. Lo mismo para las mareas.

    En cuanto al anillo superconductor la corriente circula sin pérdidas, no hay disipación y no hay generación de calor. Basta sumergirlo en helio líquido y aislar térmicamente el sistema del exterior, no hace falta consumir energía para mantener esta corriente.

    Por último, para que el anemómetro browniano funcionase bastaría con que el contenedor tuviera un lado y el contrario a distinta temperatura, entonces habría un movimiento neto (pequeño) en una dirección concreta (“viento”).

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