Физика в мире животных: магниточувствительные бактерии и их компас
В 1975 году микробиолог Ричард Блекмор (Richard P. Blakemore), получив диплом специалиста в Массачусетском университете, занялся сбором бактерий из болот, которые расположены вдоль Атлантического побережья. Отобранные образцы он изучал в лаборатории, а затем снова отправлялся на сборы. Однажды он обнаружил интересное поведение одного из штаммов отобранных бактерий. Дело в том, что эти бактерии всегда собирались на северном краю капли жидкости, в которой они находились на предметном стекле микроскопа. Он проверил свое предположение, и оказалось, что бактерии действительно постоянно стремятся на север.
Блекмор решил понять, каким образом миниатюрные живые организмы, размер которых составляет около двух тысячных миллиметра в длину, умеют определять стороны света. Сначала ученый проверил, реагируют ли бактерии на магнитное поле. Он взял небольшой компас, и поместил его рядом с предметным стеклом с каплей жидкости и бактериями в ней. Бактерии, проигнорировав на этот раз север, начали двигаться в направлении линий магнитного поля этого магнита.
Ученый сразу понял, что дело именно в магнитном поле, а не в чем-либо еще. Для того, чтобы описать магниточувствительность бактерий, он предложил термин «магнитотаксис». Стоит отметить, что уже позже ученые обнаружили и других бактерий, которые реагируют на магнитное поле. Среди них, порой, нет ничего общего, кроме способности двигаться по направлению линий магнитного поля. Термин «магнитотактические бактерии» объединяет палочек, спирилл, вибрионов и другие микроорганизмы.
Как оказалось, внутри бактерии заключен крошечные частицы магнетита. Размер каждой такой частицы составляет всего 50 нм с каждой стороны. У разных бактерий это могут быть либо гранулы магнетита (Fe3O4) либо же гранулы грейгита (Fe3S4). Эти гранулы окружены липопротеиновой мембраной.
Органы, где синтезируются кристаллы, носят название магнетосомы. Внутри бактерий они могут быть объединены в цепочки, а в клетках магнитотактических бактерий их число может насчитывать несколько десятков или даже сотен (у одной из бактерий, Candidatus Magnetobacter bavaricum, обнаружено свыше тысячи магнетосом). Так вот, кристаллы магнетита и грейгита выстраиваются в организме таких бактерий вдоль цепочки, ориентируясь параллельно магнитными дипольными моментами. Как говорит нам «Википедия», магнетосома — мембранная структура бактерий, характерная для обладающих магнитотаксисом бактерий, содержащая монодоменные ферромагнитные кристаллы. Обычно в клетке содержится от 15 до 20 кристаллов магнетита, которые вместе действуют как игла компаса, помогая бактерии ориентироваться относительно геомагнитных полей, и таким образом упрощая им поиск их излюбленной микроаэрофильной среды обитания. Частицы магнетита также обнаружены в эукариотических магнитотактических водорослях, клетки которых содержат несколько тысяч кристаллов.
Обычно общий магнитный дипольный момент достаточно велик, чтобы ориентировать клетку по направлению магнитных линий. Ориентированные по сторонам света бактерии двигаются при помощи одного либо нескольких жгутиков. Интересным моментом можно назвать то, что мертвые клетки тоже ориентируются по линиям магнитного поля (магнетосомы в составе организма бактерии остаются) но по понятным причинам не двигаются.
Магниточувствительные бактерии из северного полушария Земли двигаются параллельно линиям геомагнитного поля. Это приводит к движению микроскопически малых организмов в направлении сервера. Их принято называть «север-ищущие». А вот бактерии из южного полушария двигаются в противоположном направлении, их называют «юг-ищущие». Собственно, названия бактерий не вызывает вопросов. Поскольку векторы линий магнитного поля направлены вверх в южном полушарии и вниз в северном, то движение как «южан», так и «северян» всегда направлено вниз.
Сейчас на основе магниточувствительных бактерий и их магнетосом разрабатывается способ направленной доставки лекарств к различным органам тела человека и животных. При помощи магнита магнетосомы бактерий с лекарственными препаратами могут быть доставлены прямо к цели.
Использовать уникальные особенности описываемых бактерий можно не только в медицине. Работать с ними можно и электронщикам. Например, Ученые из университета Лидса предложили собственную технологию выращивания однородных кристаллов магнетита на подложке при помощи магниточувствительных бактерий. Японские ученые использовали схожий метод, только они решили формировать при помощи микроорганизмов основу для нанопроводов в микроскопически малых микросхемах. При создании нанопроводов ученые из Японии используют частицы из сульфида меди и индия и сульфида цинка. Такие нанопровода помещаются в оболочку из липидов. Ученые смогли сформировать из липидных молекул нечто вроде трубочек, в которые и помещаются потом провода.
При таком способе выращивания кристаллов бактерии располагаются на подложке из золота в шахматном порядке. После этого подложка помещается в раствор солей железа. При температуре 80°C на тех участках, что были покрыты бактериями, образуются однородные нанокристаллы магнетита. Такие нанокристаллы позволяют удерживать заряд, а систему можно использовать для записи информации.
Канадские ученые из лаборатории наноробототехники (NanoRobotics Laboratory of the Ecole Polytechnique) в Монреале смогли заставить бактерий построить небольшую систему в виде пирамиды. Управляя при помощи компьютера формой и напряженностью магнитного пола, специалисты смогли организовать из колонии магниточувствительных бактерий отряд строителей. В ходе ряда экспериментов специалисты добились создания сооружения в виде пирамиды, а также продвижения бактерий в кровеносной системе живой крысы. В дальнейшем канадцы надеются использовать технологию поведением бактерий для создания наноструктур большего размера. Возможно, магниточувствительные бактерии смогут стать частью более сложной системы.
