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)
Nel 1977, il fisico Edward Purcell calcolò che se si spinge un batterio e poi lo si lascia andare, si fermerà dopo circa un milionesimo di secondo. In quell'intervallo di tempo, avrà percorso una distanza inferiore allo spessore di un atomo. Lo stesso vale per uno spermatozoo e per molti altri microbi. Tutto ciò riguarda esseri di dimensioni davvero ridotte. Le creature microscopiche abitano in un mondo, per noi alieno, dove attraversare pochi centimetri d'acqua è un'impresa straordinaria. Ma perché le dimensioni sono così importanti per un nuotatore? Cosa rende il mondo di uno spermatozoo così radicalmente diverso da quello di un capodoglio? Per scoprirlo, dobbiamo immergerci nella fisica dei fluidi. Ecco come possiamo farcene un'idea. Pensate di nuotare in una piscina. Ci siete voi e un bel po' di molecole d'acqua. Le molecole d'acqua sono più numerose rispetto a voi mille trilioni di trilioni a uno. Quindi, per voi, spingervi avanti con il vostro corpo gigantesco è facile, ma se foste davvero molto piccoli, diciamo delle dimensioni di una molecola d'acqua, tutto ad un tratto, sarebbe come nuotare in una piscina di persone. Invece di scivolare attraverso tutte quelle piccole, minuscole molecole, ora ogni singola molecola è come un'altra persona che dovete spingere da parte se volete arrivare da qualche parte. Nel 1883, il fisico Osborne Reynolds capì che c'è un semplice numero che può prevedere come un fluido si comporterà. Si chiama numero di Reynolds, e dipende da proprietà semplici come le dimensioni del nuotatore, la sua velocità la densità del fluido, e la viscosità del fluido. Questo significa che creature di dimensioni molto diverse abitano mondi enormemente diversi tra loro. Per esempio, a causa delle sue dimensioni enormi il capodoglio abita il mondo dei grandi numeri di Reynolds. Con un solo colpo di coda, riesce ad avanzare di distanze incredibili. Invece, gli spermatozoi vivono in un mondo dove il valore del numero di Reynolds è basso. Se uno spermatozoo smettesse di agitare la coda, non riuscirebbe a spostarsi nemmeno di un atomo. Per riuscire a immaginare cosa si prova ad essere come uno spermatozoo, bisogna mettersi all'altezza del suo numero di Reynold. Immaginate di essere immersi in un vaso di melassa con le braccia che si muovono lentamente, quasi come la lancetta dei minuti di un orologio; ecco, ora avete un'idea piuttosto chiara di quello che uno spermatozoo deve affrontare. Allora, come fanno i microbi ad arrivare da qualche parte? Beh, molti non si prendono neanche il disturbo di nuotare. Semplicemente lasciano che il cibo arrivi a loro. Un po' come una mucca pigra che aspetta che l'erba ricresca all'altezza della sua bocca. Molti microbi però nuotano e qui entrano in scena alcuni adattamenti davvero straordinari. Uno dei trucchi che usano è modificare la forma dei loro remi. Flettendo abilmente le loro pagaie per creare maggiore attrito nella fase di passata che nella fase di ripresa, alcuni organismi unicellulari come il paramecio si fanno strada tra la folla delle molecole acquatiche. Ma c'è una soluzione ancora più ingegnosa che arriva dai batteri e dagli spermatozoi, Invece di agitare le loro pale avanti e indietro, le muovono a spirale, come un cavatappi. Proprio come un cavatappi applicato a una bottiglia di vino converte il moto a spirale in moto in avanti, queste minuscole creature ruotano le loro code elicoidali per spingersi in avanti in un mondo in cui l'acqua è densa come sughero. Altre strategie sono ancora più strane. Alcuni batteri adottano una tecnica alla Batman. Usano una sorta di rampini lungo i quali si tirano su. Riescono anche ad usare questi rampini come una fionda, proiettandosi in avanti. Altri ancora usano l'ingegneria chimica. L'Helicobacter pylori vive solo nelle mucose acide e viscide che si trovano nel nostro stomaco. Rilascia una sostanza chimica che diluisce il muco circostante, consentendogli di scivolare attraverso la melma. Non c'è da meravigliarsi che questi individui siano anche i responsabili dell'ulcera gastrica. Perciò, quando guardiate proprio da vicino il vostro corpo e il mondo intorno a voi, potete vedere ogni sorta di minuscole creature che trovano soluzioni ingegnose per muoversi in condizioni difficili. Senza questi adattamenti, i batteri non troverebbero mai gli organismi ospiti e gli spermatozoi non ce la farebbero mai ad arrivare agli ovuli, il che significa che voi non avreste mai l'ulcera gastrica, ma anche, e in primo luogo, che non sareste mai nati.