Acoustic streaming, the 'small invention' of cyanobacteria?

Abstract

Micro-engineering pumping devices without mechanical parts appeared 'way back' in the early 1990's. The working principle is acoustic streaming. Has Nature 'rediscovered' this invention 2.7 Gyr ago? Strands of marine cyanobacteria Synechococcus swim 25 diameters per second without any visible means of propulsion. We show that nanoscale amplitude vibrations on the S-layer (a crystalline shell outside the outer membrane present in motile strands) and frequencies of the order of 0.5-1.5 MHz (achievable by molecular motors), could produce steady streaming slip velocities outside a (Stokes) boundary layer. Inside this boundary layer the flow pattern is rotational (hence biologically advantageous). In addition to this purported 'swimming by singing', we also indicate other possible instantiations of acoustic streaming. Sir James Lighthill has proposed that acoustic streaming occurs in the cochlear dynamics, and new findings on the outer hair cell membranes are suggestive. Other possibilities are membrane vibrations of yeast cells, enhancing its chemistry (beer and bread, keep it up, yeast!), squirming motion of red blood cells along capillaries, and fluid pumping by silicated diatoms.

Los mecanismos de bombeo en microingeniería aparecieron al principio de la década de los 90. El principio detrás de esto es el de flujo acústico. ¿Ha descubierto la Naturaleza este invento de hace 2.700 millones de años? Algunas cianobacterias marinas de la especie Synechococcus nadan 25 diámetros por segundo sin ningún medio visible de propulsión. Especulamos en este artículo que vibraciones de amplitud de nanoescala del estrato S (una cáscara cristalina que cubre las membranas exteriores en las cepas móviles) y con frecuencias del orden de 0,5-1,5 MHz (y esto es factible por los motores moleculares), podrían producir velocidades de deslizamiento del fluido, en el exterior de la frontera de la región Stokes. Dentro de esta capa límite (que para nuestra sorpresa resulta ser relativamente ancha) el comportamiento del flujo es rotacional (y en consecuencia, ventajoso desde el punto de vista biológico). Adicionalmente a este supuesto mecanismo que se podria llamar “nadando cantando”, mostramos otros posibles ejemplos biológicos de corrientes acústicas. Sir James Lighthill ha sugerido que el flujo acústico también se da en la cóclea del oído de los mamíferos, y son muy sugerentes los nuevos hallazgos en las células ciliadas externas. Otras posibilidades son flujos acústicos producidos por vibraciones de las membranas en células de levadura, mejorando su química (¡cerveza y pan!), el contoneo de los glóbulos rojos en los tubos capilares y el bombeo de fluido producido por las diatomeas.