Bacteriile—Maeștri constructori de busole

de David Thomas
tradus de Cristian Monea (Centrul De Studii Facerea Lumii)

Compasurile au jucat un rol esențial în istoria navigației. Cu toate acestea, timp de mii de ani înainte ca oamenii să le inventeze, acele de busolă au fost create și folosite la navigare de către bacteriile microscopice. Aceste bacterii trăiesc în aproape toate mediile acvatice din întreaga lume.

În renumita sa carte On the Origin of Species, Darwin a afirmat: „Dacă s-ar putea demonstra că a existat vreun organ complex care nu ar fi putut fi format prin numeroase modificări, succesive, subtile, teoria mea s-ar distruge în totalitate.”¹ La fel, celebrul evoluționist J.B.S. Haldane a susținut că evoluția nu ar putea produce niciodată „diverse mecanisme, cum ar fi roata și magnetul, care ar fi inutile până când devin perfecte.”² Totuși, de când Haldane a făcut această afirmație, atât magneții, cât și roțiile (componente circulare ale mașinilor care se rotesc în jurul axelor) au fost descoperite la multe specii de bacterii, împreună cu multe alte viețuitoare.

Cum le folosesc bacteriile pentru a naviga

Se pare că acele busolei întorc pasiv celulele spre nord sau spre sud, în același mod în care acele busolei artificiale se întorc pasiv către nord. Cu toate acestea, există dovezi că unele specii măsoară și modificările intensității câmpului magnetic pentru a optimiza navigația magnetică. Acest lucru face sistemul mai complex decât se credea anterior.

De ce trebuie să știe aceste bacterii în ce direcție este nordul? În coloana de apă și în sedimente se află un strat deasupra căruia există oxigen și sub care aproape că nu există oxigen. Bacteriilor magnetotactice (cele care pot detecta câmpul magnetic al Pământului) le place să trăiască în acest strat în care concentrația de oxigen este scăzută. Dacă o bacterie ar înota deasupra acestui nivel, concentrația de oxigen ar fi prea mare și ar trebui să revină jos. Aici intervin acele busolei.

Liniile de câmp magnetic sunt cel mai bine cunoscute pentru faptul că ele călătoresc de la Polul Sud magnetic al Pământului la Polul Nord. Dar ele ies și din pământ în emisfera sudică și revin în pământ în emisfera nordică (fig. 1). Astfel, bacteriile care doresc să călătorească în jos se îndreaptă spre nordul magnetic în emisfera nordică și spre sudul magnetic în emisfera sudică. Dacă aceste bacterii sunt mutate între emisfere, ele învață imediat că direcția în jos este acum în direcția opusă față de câmpul magnetic. Bacteriile pot găsi, de asemenea, condiții optime de creștere mai rapidă, deoarece călătoresc doar înainte și înapoi de-a lungul liniilor câmpului magnetic, mai degrabă decât să înoate aleator.

Astfel de busole sunt doar o componentă a sistemului complex de navigație al acestor microbi. Sistemul de navigație al unei celule (care include memoria pe termen scurt) procesează mii de semnale de la rețele de senzori care detectează diferite aspecte ale mediului înconjurător. Semnalele de ieșire sunt apoi transmise către motoarele celulei (vedeți „Amazingly designed motors”, p. 52) pentru a direcționa celula către condiții optime de creștere.

Construcția busolei

Construirea acelor busolei în bacterii nu este o operație inginerească neglijabilă. Necesită un nivel excepțional de ridicat de control și coordonare de către un număr de mașini moleculare. Acele sunt formate din cristale magnetice ale mineralului magnetit (oxid de fier Fe₃O₄), sau uneori greigit (sulfură de fier Fe₃S₄).

Procesul începe cu o celulă bacteriană care construiește numeroase „camere de reacție” numite magnetozomi. Fiecare este realizată prin plierea membranei interioare a celulei spre interior pentru a forma un compartiment sferic (ca o bulă). Printr-o linie complexă de producție, mașinile din celulă produc proteine specializate conform instrucțiunilor din ADN. Aceste proteine sunt apoi sortate și introduse în membranele magnetozomilor. Ele sunt modificate de mai multe mașini într-un mod coordonat și treptat. Proteinele se conectează pentru a forma structuri mai mari care funcționează ca dispozitive moleculare ce mențin condițiile din interiorul magnetozomilor în parametrii fin reglați. Acest lucru este necesar pentru a susține creșterea cristalelor. În special, ele reglează nivelul de fier, potențialul redox (reducător/oxidant) și pH-ul (echilibrul acido-bazic).

Celula recoltează fier din mediul înconjurător, importându-l printr-un sistem complex de senzori și mașini moleculare. Aceasta include un motor electric mic ce alimentează mașinile care transportă fier. Odată înăuntru, fierul trebuie manevrat cu grijă deoarece este toxic. Bacteriile au sisteme complexe, bine reglate, pentru a gestiona acest risc. Ele depozitează fierul în recipiente speciale pentru proteine până când este nevoie de el (fig. 2). Mașinile modifică chimic fierul înainte de a-l depozita în containere.

Fierul este apoi transportat în interiorul magnetozomilor pentru a începe formarea cristalelor. Creșterea cristalelor pare foarte reglată, astfel încât în interiorul fiecărui magnetozom crește un singur cristal. Pe măsură ce cristalele cresc, peste zece tipuri diferite de proteine își ajustează dimensiunea și forma, făcându-le extrem de uniforme.

Diferitele specii fac cristale de diferite dimensiuni și forme. Numărul de cristale per celulă pare să fie, de asemenea, strâns reglat. Trebuie făcute suficiente cristale pentru a forma ace de busolă suficient de puternice, dar crearea suplimentară ar fi o risipă de energie. Acest reglaj complicat are ca rezultat cristale de o calitate excepțional de înaltă, cu câmpuri magnetice puternice și o distribuție uniformă a dimensiunilor.³ Acest lucru le face „din ce în ce mai căutate… pentru aplicații industriale și medicale.”⁴ Oamenii s-au chinuit să producă nanocristale magnetice de o calitate atât de înaltă.

În cele din urmă, cristalele sunt asamblate într-unul sau mai multe ace de busolă (fig. 3). Fibrele lungi asemănătoare cablurilor sunt construite de la un capăt la altul al celulei pentru a forma o „schelă mecanică sofisticată”⁵ numită magnetoschelet. Într-un proces coordonat care implică și mai multe mașini, magnetozomii sunt atașați de magnetoschelet și mutați de-a lungul acestuia pentru a forma un lanț lung de cristale. Magnetoscheletul trebuie să aibă un design puternic pentru a împiedica acul să se îndoaie și să se prăbușească pe el însuși din cauza atracției magnetice dintre cristale. Acul busolei completat poate funcționa acum ca „un senzor magnetic extrem de eficient”.⁴

Celulele unor bacterii au formă elicoidală, ca un tirbușon (fig. 3). Construirea unui ac de busolă drept în interiorul acestor celule, legarea lui în poziție și alinierea sa perfectă cu axa de înot a celulei este o provocare inginerească. Cu toate acestea, aceste bacterii o pot depăși. Modul în care o fac este subiectul mai multor cercetări.³ Dacă acul nu ar fi aliniat corect, celula s-ar prăbuși în timp ce forțele magnetice și cele asociate înotului l-ar trage în direcții ușor diferite.

Separarea lanțurilor de magnetozomi în timpul diviziunii celulare

Când bacteriile se reproduc prin divizarea în două celule noi, acele lor de busolă trebuie împărțite în mod egal între cele două celule. Acele sunt poziționate perfect la locul de divizare, tăiate cu „cea mai mare precizie posibilă la mijlocul lanțului” și separate în cele două celule cu „o precizie neașteptat de mare”.⁶ Cele două jumătăți de ace sunt atrase magnetic una de cealaltă, ceea ce face ca separarea lor să fie o altă provocare de inginerie pe care trebuie să o depășească aceste bacterii. Ele par să facă acest lucru folosind un mecanism de pârghie care necesită coordonarea și utilizarea mai multor mașini și schele structurale. Cele două jumătăți de ace sunt crescute până la forma lor deplină și transportate la mijlocul fiecăreia dintre cele două celule noi. Este încă necunoscut modul în care acele sunt transportate și se opresc îndată ce ajung în poziția perfectă, dar pare extrem de reglat.

Imagine: Desenată de autor pe baza datelor de la Ruan

Concluzie

Bacteriile sunt departe de a fi „primitive”. Pot fabrica ace de busolă de o calitate excepțional de înaltă și le pot folosi pentru a naviga de-a lungul liniilor câmpului magnetic folosind motoare electrice complexe. Sunt mai multe de învățat despre aceste dispozitive incredibile de navigație. După cum a spus un cercetător, „[navigația magnetică bacteriană] încă poartă caracteristici neașteptate și sofisticate care așteaptă să fie descoperite.”⁷ Astfel de descoperiri vor continua, fără îndoială, să dezvăluie inteligența creatoare a lui Dumnezeu și să fie și mai dificil de explicat prin evoluție.