چند تن از پژوهش‌گران به رهبری آلبرت لیبچابر (Albert Libchaber) از دانشگاه راکفلر در نیویورک در پی مطالعه‌ی حرکت این باکتری‌ها در یک قطره‌ی آب بر روی اسلاید میکروسکوپ بوده‌اند. این محققان مشاهده کرده‌اند که وقتی سلول‌ها به اسلاید یا پوشش شیشه‌ای برخورد می‌کرده‌اند دوباره به جای اول خود باز نمی‌گردند. درعوض با فشار آوردن در خلاف جهت سطح٬ تقریباً ده بار در هر ثانیه (درست شبیه پروانه‌ای که نمی‌تواند روبه جلو حرکت کند) می‌چرخند. علاوه بر این٬ سلول‌های چندگانه‌ای به شکل ساختارهای شبکه‌ای دوبعدیِ شش‌گوش از ۱۰ تا ۱۰۰۰ سلول بهم می‌پیوندند (شبیه سلول‌های اتمی) که با جای‌خالی‌های شبکه‌ای و لبه‌های جانبی تکمیل می‌شوند. این تیم تصمیم بر آن گرفت تا این ساختارها را مستند و مدل‌سازی کند؛ اولین مثال‌هایی که در آن میکروارگانیسم‌های زنده تشکیل بلور می‌دهند.

پژوهش‌گران برای توضیح این پدیده جریان آب را حول و حوش باکتری‌های چرخنده محاسبه کرده‌اند. هر سلول٬ گردابه‌ای را ایجاد می‌کند که آب را از اطراف خود مکیده و آن را بدور از سطح هول می‌دهد. این جریان باعث می‌شود تا باکتری‌ها به سطح فشرده شوند و همچینین باعث می‌شود تا به هم‌دیگر پیوسته و نسخه‌ای هیدرودینامیکی از جذب الکترومغناطیسی را ایجاد کنند که اتم‌ها را در یک بلور اتمی به هم مقید می‌کند.

این تیم همچنین چرخش این بلورها را مدل سازی کرده‌اند که به واسطه‌ی چرخش تک‌تک سلول‌ها ایجاد می‌شود. نیروهای چرخشی وارد بر بلور فقط در اثر سلول‌های موجود در لبه‌ها تولید شده و نیروهای چندگانه‌ی وارد بر سلول‌های داخلی هم‌دیگر را خنثی می‌کنند. معادلاتی که این محققان به آن دست یافته‌اند نشان می‌دهد که همچنان‌که بلور رشد می‌کند افزایش نیروهای چرخشی (وقتی بزرگی بلور به بیش از یک حد خاص برسد) در لبه‌های آن نهایتاً باعث «ذوب» شدن (از هم گسیختگی) بلور می‌شود. این تیم هنوز به این مهم دست نیافته که این اندازه چقدر است. بعلاوه تیم دریافته است که بلورهای حاوی تعداد مشخصی از سلول‌ها که قادرند شش‌گوش‌های بسیار پایدار بسازند (همچون ۷- ۱۹ و ۳۷) به شکل ویژه‌ای پایدارند و اضافه یا کم‌کردن یک سلول باعث خواهد شد تا کل بلور از هم گسیخته شود. الکساندر پتروف (Alexander Petroff) از اعضای این تیم در حال برنامه‌ریزی برای تحقیق در مورد این دینامیک‌های نادر و کمیاب است که به بیان او: «به بلورها این امکان را می‌دهد تا تعداد سلول‌هایی که از آن تشکیل شده‌اند را شمارش کنند».

این تیم تحقیقانی دیافته‌اند که سه مشخصه برای این سلول‌ها وجود دارد که به آن‌ها امکان تشکیل بلور را می‌دهد: ۱- جریان شاره‌ایِ قوی ایجاد شده توسط هر سلول٬ ۲- گرایش به این‌که باکتری‌ها در مناطقی جمع شوند که اکسیژن محلول بیشتری وجود دارد و ۳- شکل کروی پوشیده شده با تاژک. با این وجود یک مشاهده‌ی خوب از این فرآیند دشوار بوده و پژوهش‌گران نمی‌دانند که آیا باکتری‌ها در محیط طبیعی اطرافشان بلورین می‌شوند یا این‌که
آیا انجام چنین کاری (در مقایسه با حجاب نامنظم و آشفته) به بهبود این روند کمک می‌کند یا نه. به گفته‌ی پتروف: «آن‌چه دقیقاً ما اینجا مشاهده کرده‌ایم یک باکتری است که مسئله‌ی بسیار خاصِ رسیدن به مواد مغذی با سرعت به اندازه‌ی کافی را حل می‌کند». این باکتری‌ها این کار را «با استفاده از خودسازماندهی به حالت جدیدی از ماده با ویژگی‌های جالب بسیار زیادی انجام می‌دهند که نمی‌توانیم منتظر درک و فهم آن‌ها باشیم».

تیموتی پدلی (Timothy Pedley) از دانشگاه کمبریج در انگلستان در آزمایشگاه خودش بر روی کلونی‌های ولوکس کارتری (Volvox carteri) که حول هم‌دیگر می‌چرخند و در یک معادله‌ی دینامیکی سیال یکسان در سال ۲۰۰۹ وارد شده‌اند[2] کار می‌کند. او پیش‌تر تشکیل بلور را مشاهده نکرده اما با دیدن آن متعجب نیز نشده است. با این حال کنوت درشا (Knut Drescher) از موسسه‌ی میکروبیولوژی زمینی در ملبورن آلمان که پی‌اچ‌دی خود را با پژوهش سال ۲۰۰۹ پدلی همراه کرده٬ دید مثبتی به این موضوع دارد. به بیان او نتایج این پژوهش نشان‌دهنده‌ی مثالی جدید از رفتار جمعی میکروشناگرهاست.

این پژوهش در مجله‌ی فیزیکال ریویو لترز به چاپ رسیده است.

درباره‌ی نویسنده:

تیم وگان نویسنده‌ی آزاد علمی از لندن است.

مرجع‌ها:

1. T. Fenchel and R. N. Glud, “Veil Architecture in a Sulphide-Oxidizing Bacterium Enhances Countercurrent Flux,” Nature 394, 367 (1998)
2. K. Drescher, K. C. Leptos, I. Tuval, T. Ishikawa, T. J. Pedley, and R. E. Goldstein, “Dancing Volvox: Hydrodynamic Bound States of Swimming Algae,” Phys. Rev. Lett. 102, 168101 (2009)

منبع: