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)
Vào 1977, nhà vật lý Edward Purcell tính toán rằng nếu bạn đẩy một con vi khuẩn và thả trôi nó, nó sẽ dừng lại trong một phần triệu giây. Trong khoảng thời gian đó, nó đi được ít hơn chiều rộng của một nguyên tử. Lực cản cũng tương tự đối với một tinh trùng và nhiều loài vi khuẩn khác. Đó là tất cả phải xảy đến đối với những kích thước vô cùng nhỏ. Các vi sinh vật cư trú trong một thế giới xa lạ với chúng ta, nơi mà để di chuyển qua một inch nước là cả một nỗ lực phi thường. Thế nhưng tại sao kích cỡ lại ảnh hưởng nhiều đến những loài bơi lội như vậy? Điều gì làm cho thế giới của một con tinh trùng lại khác hoàn toàn so với thế giới của một con cá nhà táng? Để tìm ra câu trả lời, chúng ta cần đào sâu vào tính chất vật lý của các chất lỏng. Đây là một cách để nghĩ về nó. Tưởng tượng bạn đang bơi trong một bể bơi. Một môi trường gồm có bạn và các phân tử nước. Số lượng các phân tử nước lớn hơn so với bạn gấp nhiều lần một nghìn tỷ tỷ tỷ tỷ. Vậy nên, di chuyển trong nó với cơ thể khổng lồ của bạn là rất dễ, nhưng nếu bạn có kích thước vô cùng nhỏ, giả sử kích thước của bạn bằng một phân tử nước, thì tất cả bỗng nhiên trở thành bạn đang bơi trong một bể người. Không còn là nhẹ nhàng khuẫy người trong những phân tử nước bé xíu, giờ đây mỗi phân tử nước giống như một người khác mà bạn phải chen qua để di chuyển bất cứ phương hướng nào. Vào năm 1883, nhà vật lý Osborne Reynolds tìm ra rằng có một con số đơn giản có thể ước đoán tính chất của một chất lỏng. Số đó gọi là số Reynolds, nó phụ thuộc vào một số thuộc tính đơn giản như kích thước của vật bơi, tốc độ của nó, mật độ phân tử của chất lỏng, độ nhầy, hay độ dính, của một chất lỏng. Điều đó có nghĩa là những sinh vật với rất nhiều kích cỡ khác nhau cư trú trong nhiều thế giới khác nhau. Ví dụ, bởi vì kích thước to lớn của nó, một con cá nhà táng cư trú trong một thế giới có con số Reynolds lớn. Nếu nó quẫy đuôi một phát, nó có thể lướt đi một khoảng cách rất xa. Trong lúc đó, tinh trùng sống trong một thế giới có chỉ số Reynolds thấp. Nếu tinh trùng ngừng quẫy đuôi, nó thậm chí sẽ không di chuyển qua nổi một nguyên tử. Để tưởng tượng bạn sẽ cảm thấy như thế nào nếu là một tinh trùng, bạn cần đưa mình vào thế giới có chỉ số Reynolds đó. Hình dung bản thân trong một bồn chứa đầy mật với đôi tay di chuyển chậm như kim phút của đồng hồ, và bạn sẽ cảm nhận được phần nào những gì mà một con tinh trùng đang phải chịu đựng. Vậy, làm sao những vi sinh vật đó có thể di chuyển khắp nơi? Một số chẳng lo lắng về chuyện bơi lội. Chúng chỉ há miệng chờ thức ăn. Giống như một con bò lười biếng chờ đợi cỏ đặt dưới miệng để nhấm nháp. Nhưng nhiều vi sinh vật khác lại bơi lội, và đây là nơi sản sinh ra những thích nghi phi thường. Một thủ thuật chúng có thể dùng đó là biến dạng những mái chèo của chúng. Bằng cách uốn lượn những mái chèo một cách khôn khéo để tạo ra nhiều lực kéo hơn trong một lượt đập so với lượt thu chèo, sinh vật đơn bào giống như tảo đơn bào xoay xở để di chuyển xuyên qua các phân từ nước. Nhưng thậm chí còn có giải pháp khôn khéo hơn để di chuyển ở vi trùng và tinh trùng. Thay vì vẫy những mái chèo ra trước và sau, chúng cuộn đuôi như cái mở nút chai. Giống như chiếc mở nút chai rượu biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến, những sinh vật bé nhỏ này xoay những chiếc đuôi xoắn của mình để đẩy thân mình về phía trước trong một thế giới mà nước đậm đặc như nút bần. Một vài chiến lược khác còn kỳ lạ hơn. Một số vi khuẩn dùng cách của Batman. Chúng dùng những móc kéo kéo thân mình di chuyển. Chúng thậm chí còn sử dụng những móc kéo này như những máy bắn đá liệng thân mình về phía trước. Một số khác sử dụng kỹ thuật hóa học. H. pylori chỉ sống trong môi trường màng nhầy bên trong dạ dày của chúng ta. Chúng xả ra một loại hóa chất làm loãng môi trường nhầy xung quanh, cho phép chúng lướt đi trong môi trường nhầy. Có lẽ chẳng ngạc nhiên khi những kẻ này chịu trách nhiệm cho bệnh loét dạ dày. Vậy, khi bạn nhìn lại gần, thực sự gần cơ thể của chúng ta và thế giới xung quanh mình, bạn có thể thấy tất cả các loạt sinh vật bé nhỏ đều tìm ra những cách thông minh để di chuyển trong một môi trường dày đặc. Nếu không có những thích nghi này, vi khuẩn sẽ không bao giờ tìm thấy vật chủ, và tinh trùng sẽ không bao giờ gặp được trứng, cũng có nghĩa bạn sẽ không bao giờ bị loét dạ dày, nhưng trước tiên hết bạn cũng không bao giờ được sinh ra.