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)
En 1977, le physicien Edward Purcell a calculé que si vous poussez une bactérie et puis, la laissez s'en aller, elle s'arrêtera dans environ un millionième de seconde. Dans cet intervalle, elle aura parcouru moins que la largeur d'un seul atome. Il en va de même pour un spermatozoïde et beaucoup d'autres microbes. C'est inhérent au fait d'être très petit. Des créatures microscopiques vivent dans un monde qui nous est étranger, où traverser un ou deux centimètres d'eau est un effort incroyable. Mais pourquoi la taille a-t-elle une telle importance pour un nageur ? Qu'est-ce qui rend le monde d'un spermatozoïde si fondamentalement différent de celui d'un cachalot ? Pour le savoir, il nous faut plonger dans la physique des fluides. Voici une façon de l'envisager. Imaginez que vous êtes train de nager dans une piscine. Vous et tout un tas de molécules d'eau. Les molécules d'eau sont plus nombreux que vous, mille trillions de trillions de fois plus. Vous frayer un chemin entre elles avec votre corps gigantesque est facile, mais si vous étiez vraiment petit, disons, que vous étiez de la taille d'une molécule d'eau, tout d'un coup, c'est comme si vous nagiez dans un bassin rempli de personnes. Plutôt que de glisser simplement entre toutes les minuscules petites molécules, maintenant chaque molécule d'eau est une personne de plus à écarter de votre chemin pour aller quelque part. En 1883, le physicien Osborne Reynolds a compris qu'il y a un nombre simple qui peut prédire comment se comportera un fluide. Il s'appelle le nombre de Reynolds, et il dépend de propriétés simples comme la taille du nageur, sa vitesse, la densité du fluide, et le caractère poisseux, ou viscosité, du fluide. Ça veut dire que des créatures de tailles très différentes habitent des mondes très différents. Par exemple, en raison de sa taille gigantesque, un cachalot vit dans le vaste monde du nombre de Reynolds. Si il bat sa queue une fois, Il peut avancer sur une distance incroyable. Tandis que les spermatozoïdes vivent dans un monde du nombre de Reynolds faible. Si un spermatozoïde devait cesser d'agiter sa queue, il ne dépasserait même pas un seul atome. Pour imaginer ce qu'être un spermatozoïde serait, vous devez vous-même vous ramener à son nombre de Reynolds. Imaginez-vous dans un baquet de mélasse avec vos bras qui bougent aussi lentement que l'aiguille des minutes d'une horloge, et vous auriez une assez bonne idée de à quoi est confronté un spermatozoïde. Alors, comment les microbes parviennent à aller où que ce soit ? Eh bien, beaucoup ne se donnent pas du tout la peine de nager. Ils laissent juste la nourriture dériver vers eux. C'est un peu comme une vache paresseuse qui attend que l'herbe sous sa bouche repousse. Mais beaucoup de microbes nagent, et c'est là qu'interviennent ces adaptations incroyables. Un truc qu'ils peuvent utiliser consiste à déformer la forme de leur pagaie. En pliant habilement leur pagaie pour créer plus de traînée sur la propulsion que sur la récupération, les organismes unicellulaires comme les paramécies parviennent à s'avancer lentement à travers la foule des molécules d'eau. Mais il y a une solution encore plus ingénieuse pratiquée par les bactéries et les spermatozoïdes. Au lieu de remuer leurs pagaies d'avant en arrière, ils les tournent comme un tire-bouchon. Tout comme un tire-bouchon sur une bouteille de vin convertit le mouvement d'enroulement en mouvement vers l'avant, ces minuscules créatures tournent leur queue hélicoïdale pour se porter en avant dans un monde où l'eau semble aussi épaisse que le liège. D'autres stratégies sont encore plus étranges. Certaines bactéries adoptent l'approche de Batman. Elles utilisent des grappins pour se tirer. Elles peuvent même utiliser ce grappin comme une fronde et se projeter vers l'avant. D'autres utilisent le génie chimique. Helicobacter pylori ne vit que dans le mucus visqueux et acide à l'intérieur de nos estomacs. Il libère une substance chimique qui fluidifie le mucus à l'entour, ce qui lui permet de glisser à travers le mucus. Il n'est peut-être pas surprenant que ces gars soient aussi responsables des ulcères d'estomac. Alors, quand vous regardez de très, très près nos corps et le monde autour de nous, vous pouvez voir toutes sortes de créatures minuscules qui trouvent des façons intelligentes de se déplacer dans une situation délicate. Sans ces adaptations, les bactéries ne trouveraient jamais leurs hôtes, et les spermatozoïdes n'arriveraient jamais à leurs œufs, ce qui signifie que vous n'auriez jamais d'ulcères de l'estomac, mais vous ne seriez jamais né en premier lieu.