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)
1977'de fizikçi Edward Purcell, bir bakteriyi itip bıraktığınızda saniyenin milyonda birinde duracağını hesapladı. Bu zaman içinde, bir tane atomun eninden daha az hareket etmiş olacak. Bu hesap bir sperm için ve birçok mikrop için geçerli. Tüm mesele oldukça küçük olmakla alakalı. Mikroskopik canlılar bize çok yabancı bir ortamda yaşıyorlar. Birkaç santimetrelik suyu aşmanın inanılmaz bir çaba istediği bir ortam. Ancak bir yüzücü için boyut niye bu kadar önemli? Spermin dünyasıyla sperm balinasının dünyası arasında ne fark var? Anlamak için akışkanlar fiziğine dalmamız gerekiyor. Şöyle düşünelim. Bir havuzda yüzdüğünüzü hayal edin. Siz ve birçok su molekülleri bulunuyor. Su molekülleri oran olarak sizi trilyon üstü trilyona bir katlıyor. Devasa bir beden ile onları itip yüzmek kolay iş. Peki ya minnacık olsaydınız, mesela bir su molekülüyle aynı boyutta olsaydınız, bir anda sanki havuz dolusu insanla yüzüyormuş gibi olurdu. Mini minnacık molekülleri aşıp rahatça geçmektense, artık her bir su molekülünü geçmek ve herhangi bir yere gitmek bir başka insanı itmek kadar zor olacaktır. 1883 yılında fizikçi Osborne Reynolds, akışkanların nasıl hareket edeceğini öngörmenin tek ve basit bir sayıyla olabileceğini çözdü. Buna Reynolds sayısı diyoruz ve yüzücünün boyutu, hızı, sıvının yoğunluğu, yapışkanlığı ya da viskositesi gibi basit özelliklere dayanıyor. Bu demek oluyor ki, çok farklı boyutlardaki canlılar gerçekten de başka dünyalarda yaşıyor. Örneğin devasa boyutundan ötürü sperm balığı Reynolds sayısının büyük olduğu bir ortamda yaşıyor. Kuyruğunu bir kez salladığında, inanılmaz bir mesafeyi katedebilir. Oysa bir sperm, Reynolds sayısının küçük olduğu bir ortamda yaşar. Eğer sperm kuyruğunu sallamayı bırakırsa, bir atomu dahi geçemez. Bir sperm olmanın nasıl hissettirdiğini anlamak için, kendinizi o ortamın Reynolds sayısına indirmelisiniz. Kendinizi yoğun bir şeker pekmezinin içinde, kolunuzun yelkovan kadar yavaş hareket ettiğini hayal ederseniz spermin neye karşı olduğunu anlayabilirsiniz. O zaman mikroplar bir yere nasıl gidiyorlar? Açıkçası çoğu yüzmekle uğraşmıyor. Yemeklerinin ona gelmesini beklerler. Bu aslında, tembel bir ineğin otlağın ağzında tekrar çıkmasını beklemesi gibidir. Ancak birçok mikrop yüzmeyi sağlayacak harika adaptasyonlara sahiptir. Birisi, sillerinin şekillerini değiştirmektir. Sillerini bükerek kuvvet uygulama anında çok daha fazla sürüklenme yaratırlar. Paramesyum gibi tek hücreli organizmalar su moleküllerinin arasında böyle hareket ederler. Ancak bakteri ve spermlerde daha akıllıca bir yöntem vardır. Sillerini ileri geri sallamaktansa, tirbuşon gibi hareket ettirirler. Şarap şişesinde tirbuşonun dönme hareketini ileri doğru harekete dönüştürmesi gibi, bu küçük canlıların sarmal kuyrukları ileri hareketi sağlar. Suyun şarap mantarı kadar sert olduğu bir ortamda. Diğer stratejiler daha da garip. Bazı bakteriler Batman yöntemini kullanırlar. Kendilerini hareket ettirmek için tutma kancasını kullanırlar. Bu tutma kancası yöntemini, kendilerini ileriye fırlatmak için de kullanabilirler. Diğerleri kimya mühendisliğini kullanırlar. H. pylori yalnızca yapışkan asidik mukus ortamında, midemizde, yaşayabilir. Çevresindeki mukus ortamını inceltmek için kimyasal salgılar ve yapışkanın arasından kayarak ilerler. Belki de, bunların mide ülserinin nedeni olmasına şaşmamalı. Bedenimize ve dünyamıza detaylıca baktığımızda, tüm küçük canlıların kendilerini vıcık vıcık durumlardan kurtarmak için yollar geliştirdiğini görürüz. Bu adaptasyonlar olmasaydı, bakteriler konağını bulamaz, spermler yumurtalarına ulaşamazdı. Bu hiç mide ülseri olmayacağınız anlamına geliyor ama zaten hiç doğmamış olacaktınız. (Pop)