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)
ב 1977, הפיסיקאי אדוארד פורסל חישב שאם תדחפו בקטריה ואז תעזבו, היא תעצור תוך מליונית השניה. בזמן הזה, היא תעבור פחות מהרוחב של אטום בודד. אותו הדבר נכון לזרע ומיקרובים רבים אחרים. זה קשור לזה שהם ממש קטנים. יצורים מיקרוסקופיים מיישבים עולם שזר לנו, שם לעבור סנטימטר וחצי של מים זה מאמץ אדיר. אבל למה גודל כל כך חשוב לשחיין? מה הופך את עולמו של זרע לכל כך שונה במהות מזה של לוויתן זרע? כדי להבין, אנחנו צריכים לצלול לפיזיקה של נוזלים. הנה דרך לחשוב על זה. דמיינו שאתם שוחים בברכה. זה אתם ועוד כמות גדולה של מולקולות מים. מולקולות מים עולות עליכם במספרם אלף טריליון טריליון לאחד. אז, לדחוף דרכם עם הגוף הענק שלכם זה קל, אבל אם הייתם ממש קטנים, נגיד שהייתם בערך בגודל של מולקולת מים, פתאום, זה כמו לשחות בבריכה של אנשים. במקום פשוט לשחות דרך של המולקולות הקטנות ,הזעירות, עכשיו כל מולקולת מים היא כמו אדם נוסף שאתם צריכים לדחוף כדי לעבור כדי להגיע לאנשהו. ב 1883, הפיסיקאי אוסבורן ריינולדס הבין שיש מספר פשטו אחד שיכול לצפות איך נוזלים מתנהגים. זה נקרא מספר ריינולדס, והוא תלוי בתכונות פשוטות כמו גודל השחיין, מהירותו, צפיפות הנוזל, והדביקות, או הצמיגות, של הנוזל. מה שזה אומר זה שיצורים בגודל שונה מאוד מאכלסים עולמות מאוד שונים. לדוגמה, בגלל הגודל העצום שלו, לוויתן זרע מאכלס את עולם מספר רינולדס הגדול. אם הוא מניף את הסנפיר שלו פעם אחת, הא יכול לנוע קדימה מרחק עצום. בעוד שזרע חי בעולם של מספר רינולדס נמוך. אם זרע יפסיק לנפנף בזנב, הוא לא יעבור אטום בודד. כדי לדמיין איך זה ירגיש להיות זרע, אתם צריכים להביא את עצמכם למטה למספר רינולדס שלו. דמיינו את עצמכם באמבטיה של דבשה עם הזרועות שלכם זזות לאט כמו מחוג הדקות של השעון, ויהיה לכם מושג די טוב של מה הזרע מתמודד איתו. אז, איך מיקרובים מצליחים להגיע לאנשהו? ובכן, רבים לא טורחים לשחות בכלל. הם פשוט נתנים לאוכל להסחף אליהם. זה משהו כמו פרה עצלנית שמחכה שהדשא תחת פיה יגדל חזרה. אבל הרבה מיקרובים שוחים, ופה נכנסות ההתאמות המופלאות שלהם. טריק אחד בו הם משתמשים הוא לשנות את צורת המשוט שלהם. על ידי שינוי חכם של המשוט שלהם כדי ליצור יותר התנגדות בדחיפה מאשר בהחזרה, אורגניזמים חד תאיים כמו פרמסיה מצליחים להתקדם דרך קהל של מולקולות מים. אבל יש דרך אפילו יותר גאונית שאליה הגיעה בקטריה וזרע. במקום לשקשק במשוט שלהם קדימה אחורה, הם מלפפים אותם כמו חולץ פקקים. בדיוק כמו שחולץ פקקים עם בקבוק יין ממיר תנועה סיבובית לתנועה קידמית, היצורים הקטנים האלה מסובבים את הזנב הסלילי שלהם כדי לדחוף את עצמם קדימה בעולם בו מים מרגישים סמיכים כמו שעם. אסטרטגיות אחרות הן אפילו מוזרות יותר. כמה בקטריות לוקחות את השיטה של באטמן. הן משתמשות בקרסי תפיסה כדי למשוך את עצמן קדימה. הן יכולות אפילו להשתמש בוו התפיסה כמו קלע ולשגר את עצמן קדימה. אחרות משתמשות בהנדסה כימית. H פילורי חייה רק בריר המגעיל והחומצי של הבטן שלנו. היא משחררת כימיקל שמרכך את הריר הסמוך, מה שמאפשר לה לגלוש דרך הריר. אולי זה לא מפתיע שהחברה האלה אחראים לכיבי קיבה. אז, כשאתם מסתכלים ממש ממש מקרוב בגוף שלנו והעולם סביבנו, אתם יכולים לראות כל מיני יצורים זעירים שמוצאים דרכים חכמות לנוע במצב דביק. בלי כל ההתאמות האלה, בקטריות לעולם לא היו מוצאות את המארח שלהן, וזרעים לעולם לא היו מגיעים לביציות שלהם, מה שאומר שלעולם לא הייתם מקבלים כיב קיבה, אבל גם לעולם לא הייתם נולדים מראש.