باکتری های مغناطیسی از زمین تا مریخ

هزار سال پیش از اختراع قطب نمای مغناطیسی در سده های میانه قرون وسطی , چینی ها و یونانیان با ویژگی های مغناطیسی سنگ های آهن ربا آشنا شده بودند

هزار سال پیش از اختراع قطب‌نمای مغناطیسی در سده‌های میانه(قرون وسطی)، چینی‌ها و یونانیان با ویژگی‌های مغناطیسی سنگ‌های آهن‌ربا آشنا شده بودند. بخش اصلی نخستین قطب‌نما را قطعه‌‌ی درازی از آهن‌ربای طبیعی(سنگ آهن‌ربا) تشکیل می‌داد. سپس آدمی دریافت که با مالش دادن یک سوزن آهنی به آهن‌‌ربای طبیعی، می‌توان نوعی آهن‌ربای ساختگی(مصنوعی) به دست آورد و از آن در ساختمان قطب‌نما بهره گرفت.

در سال ۱۶۰۰ میلادی، ویلیام گیلبرت از ویژگی‌های مغناطیسی زمین سخن به میان آورد. پیش از آن، رابرت ناتمن، قطب‌نماساز انگلیسی، دریافته بود که اگر یک سوزن آهن‌ربا شده را با نخ آویزان کند، سوزن در راستای شمال و جنوب آرایش می‌یابد. البته، وضع قرارگیری آن افقی نیست، بلکه آن انتهای سوزن که به سوی شمال قرار می‌گیرد، به سوی پایین گرایش دارد. برای مثال، در لندن (جایی که گیلبرت کار می‌کرد) انحراف سوزن از حالت افقی نزدیک ۷۰ درجه است. گیلبرت این انحراف را ناشی از تاثیر ویژگی‌های مغناطیسی زمین می دانست. او باور داشت که زمین همانند یک‌ آهن‌ربای کروی است و میدان مغناطیسی آن در استوا، حالت افقی و در قطب‌ها، حالت عمودی دارد.

امروزه می‌دانیم این میدان بین قطب و استوا دارای زایه‌ی انحرافی است که با افزایش عرض جغرافیایی، افزایش می‌یابد. بنابراین، آن انتهای سوزن آهن‌ربا شده که به سوی شمال قرار می ‌ گیرد، در نیم‌کره شمالی به سوی شمال و پایین، در استوا به سوی شمال و به حالت افقی و در نیم‌کره‌ی جنوبی به سوی شمال و بالا آرایش می‌یابد. در مورد آن انتهای سوزن که به سوی جنوب قرا ر می ‌ گیرد، وضعیت واژگون است.

تا سال‌های اخیر، آدمی خود را تنها جانداری می‌دانست که برای جهت‌یابی از مغناطیس بهره می‌گیرد. اما در چند سال گذشته، ذره‌های آهن‌ربا در جاندارن گوناگونی کشف شده است. باکتری‌ها، نرم تنان دریایی، زنبورهای عسل، پراونه ها، کبوترهای خانگی و دلفین‌ها، از جاندرانی هستند که پیش از روشن شدن ویژگی‌های مغناطیس برای آدمی، از این پدیده بهره می‌گرفته‌اند. از میان این جانداران، به جریان کشف و مطالعه‌ی باکتری‌های مغناطیسی می‌پردازیم.

● کشف باکتری‌های مغناطیسی

در سال ۱۹۷۵ میلادی، بلک مور در جریان مطالعه‌ی میکروسکوپی باکتری‌هایی که به طور معمول در گل و لای باتلاق‌های آب شور یافت می شوند، مشاهده کرد که آن‌ها همواره در یک سوی میدان دید شنا می کنند. آیا این باکتری‌ها در پاسخ به جهت نور چنین رفتاری نشان می‌دهند؟ او برای آزمون این فرضیه، میکروسکوپ را با جعبه‌ای پوشاند و جهت قرار گیری آن را تغییر داد. حتی آن را به اتاق دیگری جابه‌جا کرد. در همه‌ی این وضعیت‌ها، جهت حرکت باکتری‌ها تغییری نیافت.

بررسی‌های بعدی نشان داد که این باکتری‌ها پیوسته به سوی شمال شنا می کنند. بلک مور و همکارانش با استفاده از سیم پیچ ویژه ای، میدان مغناطیسی قابل تنظیمی را در پیرامون میکروسکوپ ایجاد کردند. وقتی محور این سیم پیچ در جهت شمال – جنوب بود، باکتر ها در راستای شمال – جنوب به سوی شمال شنا می‌کردند. وقتی جریان الکتریکی جاری در سیم پیچ واژگون شد، باکتری‌ها چرخشی ۱۸۰ درجه انجام دادند و این بار در جهت مخالف، یعنی به سوی جنوب، شنا کردند.

هر زمان که جریان واژگون می‌شد. باکتری ها چرخشی ۱۸۰ درجه‌ای انجام می‌دادند و در جهت میدان به کار رفته شنا می‌کردند. این باکتری‌ها حتی پس از مرگ، با وجود این که توان شنا کردن نداشتند، باز هم در میدان مغناطیسی آرایش ثابتی می‌گرفتند و با واژگون شدن جریان، ۱۸۰ درجه می چرخیدند. خلاصه، این باکتری‌ها آهن رباهای زنده ای هستند که به طور طبیعی تحت تاثیر میدان مغناطیسی زمین قرار می‌گیرند و با به کار گیری یک میدان مغناطیسی نیرومند‌تر می‌توان بر جهت حرکت آن‌ها تاثیر گذاشت.

● زیر میکروسکوپ الکترونی

در رسوب‌های برداشت شده از باتلاق‌ها، تالاب‌ها و گنداب‌ها، تراکم باکتری‌های مغناطیسی به طور معمول بین ۱۰۰ تا ۱۰۰۰ سلول در هر میلی لیتر است. وقتی این رسوب‌ها در آزمایشگاه درون ظرف‌های شیشه‌ای نگهداری می‌شوند، تراکم آن‌ها طی چند هفته به ۰۰۰/۱۰۰ تا ۰۰۰/۰۰۰/۱ سلول در هر میلی‌لیتر می‌رسد. این جمعیت انبوه بدون دریافت مواد غذایی تا دوسال می‌ماند. در میان آن‌ها، باکتری‌های کروی، میله‌ای و مارپیچی با ویژگی‌های ریختی گوناگون دیده می‌شود.

این باکتری‌ها هم در رسوب‌های آب‌های شیرین و هم در رسوب‌های دریایی یافت شده‌اند. یکی از آن‌ها، باکتری مارپیچی به نام Aquaspirillum magnetotacticum است که در آب‌های شیرین یافت می‌شود. این باکتری بر خلاف بسیاری از باکتری‌های مغناطیسی، در هر دو انتهای خود تاژک دارد و می‌تواند به جلو یا عقب شنا کند. در بررسی ساختمان درونی این باکتری با استفاده از میکروسکوپ الکترونی، مشخص شد که حدود ۲۰ ذره‌ی مکعبی یا هشت وجهی زنجیره‌وار در راستای محور طولی سلول آرایش یافته‌اند. این ذره‌ها در سیتوپلاسم همه‌ی باکتری‌های مغناطیسی که بررسی شده‌اند، دیده می‌شود.

ذره‌های مکعبی، که اکسید آهن‌ربای آهن هستند، بیش‌تر در قالب یک یا دو زنجیره آرایش یافته‌اند و شکل و اندازه یک‌دستی دارند. هر ذره را غشایی در بر می‌گیرد که همواره در نزدیکی غشای سیتوپلاسمی قرار دارد و ممکن است به آن متصل باشد. چنین به نظر می رسد که غشای در بر گیرنده‌ی ذره‌ها باعث تثبیت جایگاه آن‌ها در سلول می‌شود. مجموعه ذره ها و غشای در بر گیرنده‌ی آن‌ها را مگنتوزوم می‌نامند.

● نقش زیستی مگنتوزوم

اگر به محیط کشت A. magnetotactium آهن افزوده شود (به شکل یک ترکیب آلی محلول با غلظت یک یا دو میلی‌گرم در هر لیتر، زیرا آهن معدنی در آب به اکسید نامحلولی دگرگونه می‌شود که جذب آهن را برای جاندار دشوار می سازد) باکتری ها رشد می کنند، مگنتوزوم می‌سازند و در تاثیر میدان مغناطیسی قرار می‌گیرند. اگر آن‌ها به محیطی فقیر از نظر آهن(کم تر از نیم میلی‌گرم در هر لیتر) جابه‌جا شوند، رشد خواهند کرد، اما مگنتوزوم نمی‌سازند و در تاثیر میدان مغناطیسی قرار نمی‌گیرند. این آزمایش نشان می دهد که این باکتری‌ها فعالانه در ساختن آهن‌رباهای میکروسکوپی خود شرکت می کنند.

آیا هزینه کردن انرژی برای ساختن آهن‌ربا برای باکتری پیامد سودمندی نیز دارد؟ همان‌طور که گفته شد میدان مغناطیسی زمین، در نیم‌کره‌ی شمالی به سوی شمال و پایین و در نیم‌کره‌ی جنوبی به سوی شمال و بالا گرایش دارد. با دور شدن از استوا و نزدیک شدن به قطب‌ها، انحراف آن از حالت افقی افزایش می‌یابد. به دلیل انحراف میدان مغناطیسی، در نیم‌کره‌ی شمالی باکتری‌های شمال‌جو، به سوی پایین و باکتری‌های جنوب‌جو به سمت بالا شنا می‌کنند.

اما در نیم کره‌ی شمالی، بیش‌تر باکتری‌های مغناطیسی، شمال‌جو هستند. از این رو، این باکتری‌ها بیش‌تر در گل و لای و رسوب‌های کف آبگیرها یافت می‌شوند. این باکتری‌های کف‌زی، بی‌هوازی هستند یا درمحیط‌هایی که غلظت اکسیژن اندک است، بهتر رشد می‌کنند. گرایش به شنا کردن به سوی پایین برای باکتری‌ها نوعی برتری به مشار می‌آید، زیرا به آن‌ها کمک می‌کند که از پیامدهای زهرآگینی غلظت بالای اکسیژن در سطح آب درامان بمانند.

بر اساس این فرضیه، می‌توان انتظار داشت که باکتری‌های مغناطیسی در نیم‌کره‌ی جنوبی بیش‌تر از نوع جنوب‌جو باشند و بنابراین به سوی پایین شنا می‌کنند و در رسوب‌ها و دور از آب‌های سطحی به سر می‌برند. بررسی‌های انجام شده در نیوزلند، درستی این فرضیه را نشان داد. هم‌چنین، بررسی‌های انجام شده در مورد رسوب‌های به دست آمده از بخش‌های استوایی، از وجود باکتری‌های مغناطیسی در آن‌ها خبر داد که در راستای افق آرایش می‌یابند و جمعیت باکتری‌های جنوب‌جو و شمال‌جو در آن‌ها یکسان است. جابه‌جایی در راستای افق، باکتری‌ها را از انحراف خطرناک به سمت محیط پراکسیژن و زهرآگین سطح آب در امان نگه می‌دارد.

● آهن‌ربای مریخی

در سال ۱۹۹۶ میلادی، دیوید مکای و همکارانش بر اساس بررسی‌هایی که انجام داده بودند، نظریه‌ای را مبنی بر وجود نوعی زندگی ابتدایی در سیاره‌ی مریخ پیشنهاد کردند. از آن زمان تاکنون شواهدی مبنی بر رد یا تایید این نظریه‌ی عرضه شده است. به تازگی پژوهشگران در یکی از شهاب‌سنگ‌های مریخی، بلورهای آهن‌ربایی پیدا کرده‌اند که به بلورهای باکتری‌های مغناطیسی شباهت زیادی دارند. این شهاب‌سنگ که حدود ۵/۴ میلیارد سال قدمت دراد، در قطب جنوب پیدا شده است.

دانشمندان بر این باورند که این شهاب‌سنگ عضوی از یک مجموعه ۱۶ عددی از شهاب‌سنگ‌های مریخی است که نزدیک ۱۳ هزار سال پیش در یخ‌های قطب مدفون شده‌اند. بلورهای آهن‌ربای موجود در این شهاب‌سنگ که ALH۸۴۰۰۱ نام گرفته است، در کربنات‌هایی با قدمت ۹/۳ میلیارد سال پیدا شده‌اند. بررسی‌ها نشان داده است که این کربنات‌ها در سطح مریخ تشکیل شده‌اند. بنابراین، به نظر می‌رسد که بلورهای آهن‌ربا نیز در سطح مریخ شکل گرفته‌اند.

این بلورها که از شهاب سنگ استخراج شده و با میکروسکوپ الکترونی مورد مطالعه قرار گرفته‌اند، بسیار ریزند و شکل هندسی بسیار منظم و خلوص بسیار بالایی دارند. بسیار دور به نظر می‌رسد که چنین بلورهای طی فرایندهای نازیستی تولید شده باشند، زیرا آهن‌ربایی که در فرایندهای نازیستی شکل می گیرد، خلوص بالایی ندارد و در شکل هندسی آن نیز نظم چشم‌گیری دیده نمی‌شود. بنابراین، به نظر می‌رسد که این بلورها نشانه‌های نوعی زندگی ابتدایی در سیاره‌ی مریخ باشند.

بررسی‌های گسترده پژوهشگران این احتمال را که بلورهای آهن‌ربا ممکن است در اثر آلودگی‌های زمینی وارد شهاب‌سنگ‌های مریخی شده باشند، رد کرده است. ایمر فریدمن، که مقاله‌ای در همین زمینه در مجله‌ی PNAS به چاپ رسانده‌ است، می‌گوید:" بلورها درون رسوب‌های کربناتی جای گرفته‌اند و خود این رسوب‌ها نیز درون گویچه‌های شیشه‌ای جای دارند. از این رو، به نظر نمی‌رسد این باکتری‌ها توانسته باشند وارد این صخره بشوند." هم‌چنین او در مقاله‌ی خود ادعا کرده است که دانه های آهن‌ربای شهاب‌سنگ مریخی همانند دانه‌های مروارید در یک زنجیره آرایش یافته اند.

با این همه، هر چند به گمان برخی شاید باکتری‌های مغناطیسی از جمله نخستین ساکنان سیاره‌ی سرخ بوده‌اند، بیش‌تر دانشمندان بر این باورند شواهدی که از این شهاب‌سنگ به دست آمده‌اند، قانع کننده نیستند. به نظر می‌رسد بگومگوهایی که پیرامون زندگی در کره‌ی مریخ وجود دارد، تنها زمانی به سرانجام خواهد رسید که نمونه‌هایی از خود سیاره، به‌ویژه از بستر رودخانه‌ها و دریاچه‌های خشک شده‌ی آن، گردآوری شود.

بلورهای آهن‌ربای باکتری‌های مغناطیسی خلوص و ظرافت بالایی دارند. به کمک روش‌های مهندسی ژنتیک می‌توان مقدار زیادی از این بلورها تولید کرد. این آهن‌رباهای ظریف صنعت الکترونیک را متحول می سازند.

نویسنده: آقای حسن سالاری

منبع:

۱.R. P. Blakemore, R. B. Frankel, Magnetic Navigation in Bacteria. Scientific American ۲۴۵, Vol. ۶, ۵۸-۶۵ (۱۹۸۱).

۲. Science Daily Magazine, Feb ۲۰۰۱

۳. NASA Jonson Space Center, Feb ۲۰۰۱

۴. New Scientist,۱۹ May ۲۰۰۱

این هم مقاله‌های از دانشمند ایرانی، آرش کمیلی، پیرامون باکتری‌های مغناطیسی

۱. Komeili A, Li Z, Newman DK, Jensen GJ. ۲۰۰۶. Magentosomes are cell memebrane invaginations organized by the actin-like protein, MamK. Science. ۳۱۱: ۲۴۲-۲۴۵.

۲. Komeili A, Vali H, Beveridge TJ, Newman DK. Magnetosome vesicles are present prior to magnetite formation and are activated by the MamA protein. PNAS. ۱۰۱:۳۸۳۹-۴۴ (۲۰۰۴).

۳. Weiss B.P., Kim S.S., Kirschvink J.L., Sankaran M., Kobayashi A., Komeili A. Magnetic Tests for Magnetosome Chains in Martian Meteorite ALH۸۴۰۰۱. PNAS. ۱۰۱:۸۲۸۱-۴ (۲۰۰۴).

۴. Weiss B.P., Kim S.S., Kirschvink J.L. , Sankaran M., Kobayashi A., Komeili A.. Ferromagnetic resonance and low temperature magnetic tests for biogenic magnetite. Earth and Planetary Science Letters. ۲۲۴:۷۳-۸۹ (۲۰۰۴).