بر خلاف حکم عقل سلیم که انتظار دارد میکروارگانیسم‌ها، در آب پر تلاطم، به طور یکسان پراکنده شوند، این جانوران میکروسکپی، در کنار یکدیگر، به شکل خوشه ای تجمع می‌کنند! فیزیک‌پیشه‌گان با استفاده از آزمون‌‌ها و شبیه‌سازی‌ها این رفتار را مورد مطالعه قرار داده و پی‌برده‌اند که برخی از این جانوران دارای مکانیسم‌های جهت‌یاب هستند که آنها را، به هنگام تلاطم، به سمتِ خاصی هدایت می‌کنند. بررسی و درک این رفتارها کاربردهای علمی و صنعتی متعددی دارد، از جمله در پرورش پلانکتن‌ و تولید زیست سوخت‌ها.

میکروارگانیسم‌های جنبنده، با دنبالچه‌های ساده‌شان، می‌توانند به سمت نور یا غذای خاصی در آب حرکت کنند، و حرکت آن‌ها توسط گستره‌ای از مکانیسم‌های حس‌یابی هدایت می‌شود، مثل حسگر ساده‌ی نوریاب یا حسگر‌های شیمیایی. پلانکتونی به نام کلامیدوموناس اوگوستا Chlamydomonas augustae (نوعی خزه‌ی سبز رنگ) دارای توضیع جرمی خاصی است، به گونه‌ای که «پایین تنه‌ی سنگینی» دارد که باعث می‌شود بدن‌اش را چنان قرار بدهد که به سمت بالا، در خلاف جهت گرانش، شنا کند. به این استراتژی، جایروتاکسیس (gyrotaxis) میگویند. اما این مکانیسمِ هدایت‌کننده‌ی منفعل می‌تواند، زمانی که محیطِ مایع در حرکت است، یک رفتار جمعی غیر معمول تولید کند. برای مثال، شناگرهای جایروتاکسیس در لوله‌‌ای که آب از آن به سمت پایین می‌رود،به سمت مرکز لوله تجمع میکنند. مَسیمو سنسینی Massimo Cencini از انستیتوی سیستم‌های پیچیده Institute of Complex Systems، در رُم، می‌گوید: «آن‌ها جهت‌یاب‌های ساده‌ی جریانِ آب نیستند.»

سنسینی و همکارانش به تازگی مشاهده کردند که آشفتگیِ نسبتاً خفیف آب، خزه‌های جایروتاکسیس را وادار می‌کند به شکلِ خوشه‌های در حرکت تجمع کنند. هر تک-سلول، بیشتر به سمت بالا، در خلاف جهت گرانش، شنا می‌کند، اما اگر مایعی که در سمت راستِ تک-سلول است، نسبت به آبی که در سمتِ چپ آن قرار دارد، با سرعت بیشتری به سوی پایین حرکت کند، آن‌گاه، تک-سلول مقداری به سمت راست می‌چرخد. این اثرِ کوچکِ چرخشی، تک-سلول‌ها را بیشتر به سمتِ مایعی که به سمت پایین جاری است متمرکز می‌کند (شبیه به آزمون لوله که قبلاٌ گفته شد). گروه پژوهشگر سپس تحقیق خود را معطوف به آن کرد ‌که اگر شتاب مایعِ آشفته چنان قوی باشد که برآمد نیروهای ثغلی (مانند نیروی گریز از مرکز که ما در ماشینی که در حال چرخش است حس می‌کنیم) با نیروی جاذبه رقابت کند، چه اتفاقی خواهد افتاد.

برای اطمینان حاصل کردن از این‌که حرکتِ مایع می‌تواند ارگانیسمِ جایروتاکتیک را «گول» بزند که تشخیص ندهد کدام سمت بالا است، پژوهشگران یک خزه‌ی اوگوستا را در مخزنی که به سرعت دوران می‌کرد گذاشتند. به جای شنا کردن به سمت بالا، ارگانیسم‌ها به سمت مرکز حرکت کردند، یعنی عمدتاً «بر خلاف جریانِ آب» یا بر خلافِ نیروی گریز از مرکز که به سمتِ بیرون بود (البته خزه‌های مرده اوگوستا به شکل یکسان پخش شدند). این نتیجه، نقش چیره شونده‌ی مکانیسمِ هدایت کننده‌ی ثغلی و منفعل را اثبات کرد. این در حالی بود که مکانیسم‌های دیگر مانند نوریابی در نظر گرفته نشده بود. پژوهش‌گران سپس به ایجاد شبیه‌سازی‌های کامپیوتری از این شناگران در آب بسیار متلاطم پرداختند. آنها ابتدا یک محیط مایع متلاطم را در حجمی به اندازه یک لیوان شبیه سازی کردند، و سپس، چند میلیون «ذرّه‌ی» پلانکتون را، بدون نظم خاصی، به آب اضافه کردند. آن‌ها این شناگران را به گونه‌ای برنامه‌ریزی کردند که بر خلاف جهت نیروی برآمدِ موجود، که ترکیبی از نیروی گرانش و نیروهای ثغلی بود، حرکت کنند. انتظار می‌رود که تلاطم آب ذرات معلق را به هم بزند که به طور یکسان پخش شوند، اما شناگران چنان نکرده، بلکه به شکل خوشه‌ای در گرداب‌ها تجمع کردند، جایی که نیروی گریز از مرکز قوی‌تر بود. چگالی پلانکتن‌ها در خوشه‌ها 10 تا 50 برابر بیشتر از مقدار معمول بود، و بیشترین چگالی در پر سرعت‌ترین و پر ثبات‌ترین گرداب‌ها مشاهده می‌شد. عمرِ هر خوشه تنها به درازای عمر گردابِ مسبب آن بود.

این خوشه‌بندی‌های ناشی از تلاطم می‌توانند کمک کنند که بفهمیم چرا پلانکتن‌های جنبنده بیشتر از آنهایی که ناجنبنده هستند، گرد یک‌دیگر تجمع می‌کنند. به‌خصوص، زیست‌شناسان مشاهده کرده‌اند که برخی از گونه‌های پلانکتن‌ها در دسته‌هایی به طول متغیر، از ابعاد کیلومتری تا اندازه‌های سانتی‌متری تجمع دارند. در مقیاس‌های کوچک‌تر، این تجمع‌ها به پلانکتن‌ها کمک می‌کند زوج‌های خود را برای تولید مثل پیدا کنند. سنسینی می‌گوید: «علتِ دسته‌شدن‌ها در مقیاس کوچک هنوز برای زیست‌شناسان یک معمای حل نشده است، از این‌رو، بررسی اثرات آشفتگی آب شاید آگاهی‌های تازه‌ای را فراهم کند». او می‌گوید بررسی تلاطم برای تسهیلات کشت و پرورش خزه به منظور تولید زیست‌دیزل(بیودیزل) و زیست‌سوخت‌های دیگر امر مهمی می‌تواند باشد. مهندسین در این مراکز اغلب اوقات مایع محتوی خزه را، به منظور پیشگیری از رسوب، با تلاطم بسیار مخلوط می‌کنند، اما این تحقیق نشان می‌دهد که این عمل می‌تواند ناخواسته ایجاد تجمع خوشه‌ای کند که سدّ راه نور خورشید به قسمت‌های پایینی مخزن‌ها شود.

به گفته‌ی جان کِسلر John Kessler از دانشگاه آریزونا در توسان Tuscon، این غیر منطقی به نظر می‌رسد که تلاطم، موجب دسته شدن ارگانیسم‌ها می‌شود. او مطمئن نیست که چنین تجمع های تلاطمی کجا در طبیعت پدید می‌آیند اما حدس می‌زند که تلاطم آب در خلیج‌ها و پای‌رودها یا در دهانه رودخانه‌ها به حد کافی قوی باشند. ریچل بیران Rachel Bearon از دانشگاه لیوِرپول در انگلیس بر این باور است که نتایج این بررسی می‌تواند به بیشینه سازی نرخ رشد در تأسیسات زیست‌سوختی کمک کند. او می‌گوید: «من فکر می‌کنم که نکته اصلی آن است که هنگام طراحی بیو رِآکتورها، پلانکتن‌ها را نباید صرفاً به عنوان ردیاب‌های منفعل در نظر گرفت».

منبع:

Focus: Turbulence Can't Stir Plankton

مرجع:

1-J. O. Kessler, “Hydrodynamic Focusing of Motile Algal Cells,” Nature 313, 218 (1985).

2-W. M. Durham, E. Climent, M. Barry, F. De Lillo, G. Boffetta, M. Cencini, and R. Stocker, “Turbulence Drives Microscale Patches of Motile Phytoplankton,” Nature Commun. 4, 2148 (2013).

Michael Schirber