In 1977, the physicist Edward Purcell calculated that if you push a bacteria and then let go, it will stop in about a millionth of a second. In that time, it will have traveled less than the width of a single atom. The same holds true for a sperm and many other microbes. It all has to do with being really small. Microscopic creatures inhabit a world alien to us, where making it through an inch of water is an incredible endeavor. But why does size matter so much for a swimmer? What makes the world of a sperm so fundamentally different from that of a sperm whale? To find out, we need to dive into the physics of fluids. Here's a way to think about it. Imagine you are swimming in a pool. It's you and a whole bunch of water molecules. Water molecules outnumber you a thousand trillion trillion to one. So, pushing past them with your gigantic body is easy, but if you were really small, say you were about the size of a water molecule, all of a sudden, it's like you're swimming in a pool of people. Rather than simply swishing by all the teeny, tiny molecules, now every single water molecule is like another person you have to push past to get anywhere. In 1883, the physicist Osborne Reynolds figured out that there is one simple number that can predict how a fluid will behave. It's called the Reynolds number, and it depends on simple properties like the size of the swimmer, its speed, the density of the fluid, and the stickiness, or the viscosity, of the fluid. What this means is that creatures of very different sizes inhabit vastly different worlds. For example, because of its huge size, a sperm whale inhabits the large Reynolds number world. If it flaps its tail once, it can coast ahead for an incredible distance. Meanwhile, sperm live in a low Reynolds number world. If a sperm were to stop flapping its tail, it wouldn't even coast past a single atom. To imagine what it would feel like to be a sperm, you need to bring yourself down to its Reynolds number. Picture yourself in a tub of molasses with your arms moving about as slow as the minute hand of a clock, and you'd have a pretty good idea of what a sperm is up against. So, how do microbes manage to get anywhere? Well, many don't bother swimming at all. They just let the food drift to them. This is somewhat like a lazy cow that waits for the grass under its mouth to grow back. But many microbes do swim, and this is where those incredible adaptations come in. One trick they can use is to deform the shape of their paddle. By cleverly flexing their paddle to create more drag on the power stroke than on the recovery stroke, single-celled organisms like paramecia manage to inch their way through the crowd of water molecules. But there's an even more ingenious solution arrived at by bacteria and sperm. Instead of wagging their paddles back and forth, they wind them like a cork screw. Just as a cork screw on a wine bottle converts winding motion into forward motion, these tiny creatures spin their helical tails to push themselves forward in a world where water feels as thick as cork. Other strategies are even stranger. Some bacteria take Batman's approach. They use grappling hooks to pull themselves along. They can even use this grappling hook like a sling shot and fling themselves forward. Others use chemical engineering. H. pylori lives only in the slimy, acidic mucus inside our stomachs. It releases a chemical that thins out the surrounding mucus, allowing it to glide through slime. Maybe it's no surprise that these guys are also responsible for stomach ulcers. So, when you look really closely at our bodies and the world around us, you can see all sorts of tiny creatures finding clever ways to get around in a sticky situation. Without these adaptations, bacteria would never find their hosts, and sperms would never make it to their eggs, which means you would never get stomach ulcers, but you would also never be born in the first place. (Pop)
در سال ۱۹۷۷ فيزيکدانی به نام ادوارد پورسِل محاسبه کرد که اگر يک باکتری را هُل داده و سپس رها کنيد تقريبا در عرض يک ميليونم ثانيه میايستد در اين مدت زمان کمتر از عرض يک اتم حرکت کرده است اين موضوع دربارهی اسپرمها و بسياری از ميکروبهای ديگر نيز صحت دارد اين روند مرتبط با اندازهی بسيار کوچک آنهاست موجودات ميکروسکوپی در دنيايی از نظر ما بيگانه، زندگی می کنند دنيايی که در آن گذشتن از يک اينچ آب نياز به تلاش فراوانی دارد اما چرا برای يک شناگر «اندازه» تا اين حد اهميت دارد؟ چه چيزی باعث تفاوتی چنين بنيادين ميان دنيای يک اسپرم با دنيای يک نهنگ عنبر میشود؟ برای پي بردن به اين موضوع بايد به عمق فيزيک مايعات شنا کنيم يکي از راه های گمان کردنش اين است: تصور کنيد در استخری در حال شنا هستيد شما هستيد در مقابل تعداد زيادی مولکول آب نسبت تعداد مولکولهای آب به شما هزاران تریليون تریليون به يک است پس گذشتن از آنها برای شما با بدن غول پيکرتان آسان است اما اگر اندازهی شما بسيار کوچک بود مثلا شما به اندازهی يک مولکول آب بوديد آنگاه مثل اين است که شما در استخری پر از انسان شنا میکنيد در مقايسه با شنا کردن در ميان مولکولهای کوچک اکنون هر مولکول آب به مانند انسان ديگری است که بايد او را کنار بزنيد تا بتوانيد به جاي ديگری برويد در سال ۱۸۸۳ فيزيکداني به نام «ازبورن رينولدز» کشف کرد که عدد سادهای را میتوان برای توصيف رفتار مايعات متناظر کرد به آن «عدد رينولدز» میگويند و به متغيرهای سادهای بستگی دارد مانند اندازهی شناگر سرعت او چگالی مايع و چسبندگی يا گرانروی مايع يعني موجوداتی با اندازههای بسيار متفاوت در دنياهايی بسيار متفاوت از يکديگر زندگی میکنند برای مثال نهنگ عنبر به علت بزرگی اندازهاش در دنيايی با عدد رينولدز بزرگ زندگی میکند او با يک بار تکان دادن دم خود میتواند مسافت چشم گيری را به سمت جلو شنا کند در حالی که اسپرم در دنيايي با عدد رينولدز کوچک زندگی میکند اگر اسپرم دم خود را حرکت ندهد حتی يک اتم را هم نميتواند کنار بزند و از آن بگذرد برای اين که بتوانيد تصور کنيد که اسپرم بودن چگونه است بايد شرايط را طوری تغيير دهيد تا عدد رينولدز اسپرم را داشته باشيد؛ اگر خود را درون وانی از شيره تصور کنيد جايی که تنها ميتوانيد بازوهای خود را به آرامیِ يک دقيقه شمار حرکت دهيد تصوير مناسبی از شرايطی که يک اسپرم بايد با آن مقابله کند، پيدا میکنيد پس چگونه ميکروبها ميتوانند از جايی به جای ديگر بروند؟ بسياری از آنها زحمت شنا کردن را به خود نمیدهند بلکه از غذايی که به سوی آنها رانده میشود تغذيه میکنند تا حدودی به مانند گاوی تنبل میمانند که صبر ميکند تا علف زير دهانش دوباره رشد کند اما بسياری از ميکروبها شنا میکنند که باعث شده نمونههای شگفتانگیزی از تطابقها را شاهد باشيم يکي از فنونی که پياده میکنند اين است که شکل پدالهايشان را دگرگون کنند و توسط منعطف کردن هوشمندانهی پدالهايشان مقدار به جلو کشيده شدن توسط هر ضربه را، در مقايسه با عقب رفتن افزايش میدهند با اين روش تک سلولیهايی مانند پارامسیها میتوانند راه خود را از ميان خِيل مولکولهای آب باز کنند اما روشی هوشمندانه تر نيز وجود دارد که توسط باکتریها و اسپرم اعمال میشود آنها به جای جنباندن پدالهايشان به جلو و عقب آنها را مانند يک «بطری باز کن» میچرخانند همان گونه که يک «بطری باز کن» روي بطری شراب حرکت چرخشی را به حرکتی به سمت جلو تبديل می کند؛ اين موجودات کوچک دم مارپيچی خود را میچرخانند تا خود را به جلو بکشانند در دنيايی که آب به ضخامت چوب پنبه احساس می شود استراتژیهای ديگر عجيبتر هم هستند برخي از باکتریهااز روش بتمن استفاده میکنند آنها از چنگکهای قلاب مانندی استفاده ميکنند تا خود را به جلو بکشانند آنها حتی میتوانند از اين قلابها به مانند يک تير کمان استفاده کنند و خود را به جلو پرت کنند ميکروبهای ديگری هستند که از مهندسی شيمی استفاده ميکنند هليکوباکتر پيلوری تنها در مخاط اسيدی و لزج معده زندگی ميکند اين باکتری مادهای شيميايی آزاد ميکند که ضخامت مخاط اطراف را کم میکند در نتيجه باکتری میتواند در آن محيط لزج سُر خورده و پيش رود شايد تعجب آور نباشد که اين باکتریها مسئول ايجاد زخم معده نيز میباشند بنابراين زمانی که از نزديک به بررسی بدن خود و دنيای اطرافمان بپردازيم میبينيم که انواع گوناگونی از موجودات کوچک وجود دارند که روشهای هوشمندانهای برای جابهجايی در محيطی چسبناک اتخاذ کردهاند بدون اين تطابقها باکتریها هرگز ميزبانی پيدا نميکردند و اسپرمها هرگز به تخمک نمیرسيدند يعنی شما هيچوقت زخم معده نمیگرفتيد اما در مرحله اول هرگز به دنيا هم نمیآمديد