Nhiều vi khuẩn bơi bằng những sợi roi xoắn như cái mở nút chai, gắn vào một "động cơ" quay thật sự ở thành tế bào, quay hàng trăm vòng mỗi giây. Còn tảo đơn bào, tinh trùng và nhiều sinh vật nhân thực khác dùng roi hoặc lông mềm uốn lượn như ngọn roi da. Ở thế giới tí hon ấy, nước đặc quánh như mật ong đối với chúng, nên cách bơi bằng quẫy mạnh rồi lướt theo đà của cá hoàn toàn vô dụng; chỉ những chuyển động xoắn, uốn sóng liên tục mới đẩy chúng đi được.
Bơi trong mật ong: thế giới số Reynolds nhỏ
Khi một người bơi đạp chân rồi dừng lại, cơ thể còn lướt thêm một đoạn nhờ đà. Một vi khuẩn mà ngừng quay roi thì dừng gần như ngay tức khắc, trong một quãng ngắn hơn cả bề ngang một nguyên tử. Lý do là ở kích thước cực nhỏ, lực cản do độ nhớt của nước lấn át hoàn toàn quán tính.
Các nhà vật lý đo sự so sánh này bằng số Reynolds: Re = ρ × v × L ÷ μ, trong đó ρ là khối lượng riêng của nước (khoảng 1000 kg/m³), v là tốc độ, L là kích thước vật, μ là độ nhớt của nước (khoảng 0,001 Pa·s ở nhiệt độ phòng). Re lớn nghĩa là quán tính thắng thế; Re nhỏ nghĩa là độ nhớt thống trị.
Tính thử
- Người bơi: dài khoảng 2 m, bơi 1 m/s. Re ≈ 1000 × 1 × 2 ÷ 0,001 = 2.000.000.
- Con cá nhỏ: dài 5 cm (0,05 m), bơi 0,2 m/s. Re ≈ 1000 × 0,2 × 0,05 ÷ 0,001 = 10.000.
- Vi khuẩn E. coli: dài khoảng 2 micromét (0,000002 m), bơi khoảng 30 micromét mỗi giây (0,00003 m/s). Re ≈ 1000 × 0,00003 × 0,000002 ÷ 0,001 ≈ 0,00006.
Chênh lệch giữa người và vi khuẩn là khoảng ba chục tỉ lần. Để hình dung, người ta hay nói: vi khuẩn bơi trong nước giống như người bơi trong một bể mật ong đặc, mỗi cử động chỉ được nhích từ từ vài centimet mỗi phút.
Định lý con sò: vì sao vẫy qua vẫy lại không ăn thua
Năm 1976, nhà vật lý Edward Purcell, người đoạt giải Nobel Vật lý năm 1952, có một bài giảng nổi tiếng mang tên "Life at Low Reynolds Number" (Sự sống ở số Reynolds nhỏ), được in năm 1977. Ông chỉ ra một điều bất ngờ: ở thế giới này, nếu một sinh vật cử động theo kiểu "đi rồi về" đối xứng, như con sò mở vỏ rồi khép vỏ, thì sau mỗi chu kỳ nó quay về đúng chỗ cũ, dù mở nhanh khép chậm hay ngược lại. Người ta gọi đó là định lý con sò.
Muốn tiến tới, chuyển động phải không đối xứng theo thời gian: quay liên tục một chiều như cái mở nút chai, hoặc uốn một làn sóng chạy mãi một hướng. Đó chính là hai lời giải mà tự nhiên đã tìm ra.
Lời giải 1: roi xoắn quay của vi khuẩn
Vi khuẩn E. coli, loài sống trong ruột người và được nghiên cứu nhiều nhất, có vài sợi roi mọc ở nhiều chỗ trên thân. Mỗi sợi là một ống protein dài gấp nhiều lần thân, uốn thành hình xoắn như lò xo kéo dài. Ở gốc roi là một cấu trúc phức tạp gắn vào màng tế bào: động cơ roi. Nó quay thật sự, như trục của một động cơ điện, chạy bằng dòng ion đi qua màng tế bào.
Năm 1973, Howard Berg và Robert Anderson lập luận rằng roi vi khuẩn quay chứ không vẫy. Một năm sau, Michael Silverman và Melvin Simon xác nhận bằng một thí nghiệm khéo: dính roi vào mặt kính, và thấy cả thân vi khuẩn quay tít quanh điểm dính. Động cơ roi có thể quay hàng trăm vòng mỗi giây và đổi chiều quay trong tích tắc.
Chạy rồi lộn nhào
Khi tất cả động cơ quay ngược chiều kim đồng hồ (nhìn từ đầu roi về thân), các sợi roi chụm lại thành một bó xoắn phía sau và đẩy vi khuẩn bơi thẳng: giai đoạn "chạy". Khi một vài động cơ đổi chiều, bó roi tung ra, vi khuẩn lộn nhào tại chỗ, đổi hướng ngẫu nhiên. Bằng cách kéo dài thời gian chạy khi đang tiến về phía có thức ăn và lộn nhào sớm khi đi sai hướng, vi khuẩn dần dần tìm được tới nơi có nhiều chất dinh dưỡng. Đây gọi là hướng hoá.
Lời giải 2: roi uốn sóng của tảo và tinh trùng
Ở sinh vật nhân thực (tế bào có nhân), roi có cấu tạo hoàn toàn khác: bên trong là bộ khung gồm chín cặp vi ống xếp vòng quanh hai vi ống ở giữa. Các "động cơ" phân tử nhỏ xíu làm các cặp vi ống trượt lên nhau, khiến roi uốn cong. Roi này không quay mà uốn lượn, làn sóng chạy từ gốc ra ngọn như ngọn roi da được vẩy liên tục.
- Tinh trùng: một roi dài ở đuôi, uốn sóng đẩy đầu tiến tới.
- Tảo lục đơn bào Chlamydomonas: hai roi ở phía trước, đập như hai tay bơi ếch, kéo tế bào đi.
- Trùng roi xanh (Euglena): một roi dài phía trước, vừa kéo vừa làm tế bào xoay quanh trục.
- Trùng giày (Paramecium): phủ hàng nghìn lông ngắn, đập nhịp nhàng như sóng lúa gặp gió.
Cũng loại lông này có trong cơ thể người: lông rung trong đường thở đẩy chất nhầy ra ngoài, lông trong ống dẫn trứng đẩy trứng đi.
Bảng so sánh
| Đặc điểm | Roi vi khuẩn | Roi, lông của sinh vật nhân thực |
|---|---|---|
| Chuyển động | Quay tròn, cứng, hình xoắn | Uốn sóng mềm |
| Nguồn lực | Động cơ quay ở gốc, chạy bằng dòng ion | Phân tử động cơ dọc suốt roi, dùng năng lượng ATP |
| Cấu tạo | Ống protein rỗng, đơn giản | Chín cặp vi ống quanh hai vi ống giữa |
| Ví dụ | E. coli, vi khuẩn tả, Salmonella | Tinh trùng, tảo Chlamydomonas, trùng giày |
Một nhóm vi khuẩn đặc biệt là xoắn khuẩn (như tác nhân bệnh giang mai, bệnh xoắn khuẩn vàng da) có roi nằm bên trong, giữa hai lớp vỏ. Khi roi quay, cả thân xoắn ốc quay theo như một cái mở nút chai, chui được qua những môi trường đặc sệt mà vi khuẩn khác bó tay.
Tự thử: khuấy rồi khuấy ngược trong mật ong
Thí nghiệm này lấy cảm hứng từ một đoạn phim giáo dục kinh điển của nhà cơ học chất lỏng G. I. Taylor những năm 1960, cho thấy thế giới số Reynolds nhỏ "lạ" như thế nào.
- Rót mật ong hoặc siro đường đặc vào một cốc thủy tinh trong, cao khoảng 5 cm.
- Dùng tăm nhỏ một giọt màu thực phẩm (hoặc một ít siro có màu khác) xuống giữa, thành một vệt nhỏ.
- Cắm một chiếc thìa nhỏ sát vệt màu, khuấy thật chậm theo một chiều khoảng ba vòng. Vệt màu bị kéo dài thành dải xoắn.
- Bây giờ khuấy ngược lại đúng ba vòng, cũng chậm như thế. Quan sát: vệt màu gần như co về hình dạng ban đầu.
- Làm lại với nước: màu loang ra, không quay về được.
Trong mật ong, chuyển động gần như "thuận nghịch": đi bao nhiêu, về bấy nhiêu. Đó chính là lý do con sò tí hon không bơi được bằng mở – khép vỏ. Mật ong ăn được sau thí nghiệm nếu dùng đồ sạch; với siro có màu thì bỏ đi.
Góc nhìn hôm nay
Hiểu cách vi khuẩn bơi giúp y học hiểu cách chúng lan trong cơ thể và tạo màng sinh học bám trên dụng cụ y tế. Các kỹ sư nano đang chế tạo những "robot" xoắn bằng vật liệu từ tính, dài vài micromét, điều khiển bằng từ trường bên ngoài để đưa thuốc tới đúng chỗ, mượn đúng nguyên lý cái mở nút chai của vi khuẩn. Muốn tự nhìn thấy, học sinh có thể xem một giọt nước ao dưới kính hiển vi của phòng thí nghiệm trường: trùng giày, trùng roi, tảo lục bơi lượn là những thứ thường gặp. Bài giảng của Purcell có bản in và bản đọc trên nhiều trang giáo dục vật lý, rất đáng đọc với học sinh khá môn lý.
Câu hỏi thường gặp
Vi khuẩn bơi bằng gì?
Nhiều vi khuẩn bơi bằng roi, là những sợi protein xoắn gắn vào một động cơ quay ở thành tế bào. Động cơ quay roi như cái mở nút chai, đẩy vi khuẩn tiến lên. Một số vi khuẩn khác trượt trên bề mặt hoặc không di chuyển chủ động.
Roi vi khuẩn có quay thật không?
Có. Năm 1973, Howard Berg và Robert Anderson lập luận roi quay; năm 1974, thí nghiệm của Silverman và Simon dính roi vào mặt kính và thấy cả thân vi khuẩn quay tròn. Động cơ roi quay được hàng trăm vòng mỗi giây và đổi chiều rất nhanh.
Số Reynolds là gì?
Số Reynolds so sánh lực quán tính với lực nhớt khi một vật chuyển động trong chất lỏng, tính bằng khối lượng riêng nhân tốc độ nhân kích thước chia độ nhớt. Người bơi có số Reynolds hàng triệu, vi khuẩn chỉ khoảng một phần chục nghìn.
Định lý con sò nói gì?
Ở số Reynolds rất nhỏ, một chuyển động đi rồi về đối xứng như mở rồi khép vỏ sò không giúp tiến được chút nào, dù làm nhanh hay chậm. Edward Purcell nêu ý này trong bài giảng năm 1976.
Roi tinh trùng khác roi vi khuẩn thế nào?
Roi tinh trùng uốn sóng mềm nhờ các phân tử động cơ dọc suốt roi, bên trong có chín cặp vi ống quanh hai vi ống giữa. Roi vi khuẩn là sợi protein cứng hình xoắn, quay tròn nhờ một động cơ ở gốc.
