Болотные бактерии спонтанно собрались в «живой» кристалл

Команда биофизиков из университета Рокфеллера обнаружила, что болотные бактерии вида Thiovulum majus формируют необычные двухмерные структуры-решётки, состоящие из вращающихся элементов. По словам учёных, которые отправили результаты своего исследования на рассмотрение в журнал Physical Review Letters, это первый пример в живой природе, когда организмы образуют структуры, подобные кристаллическим.

"Стабильное повторяющееся расположение микробных клеток по своей геометрии напоминает структуру атомов в минеральных кристаллах, но динамика существенно разнится. Бактериальные «кристаллы» постоянно перемещаются и реорганизуются из-за энергии, генерируемой отдельными микробными клетками", — рассказывает ведущий автор исследования Альберт Либхабер (Albert Libchaber), заведующий Лабораторией экспериментальной физики конденсированных сред в университете Рокфеллера.

Учёные назвали наблюдаемый эффект микроскопическими торнадо, поскольку вращательные движения клеток напомнило им это природное явление. Примечательно, что T. majus считаются одними из самых быстроплавающих бактерий: они преодолеваются дистанцию, равную 60 длинам тела одной микробной клетки, всего за одну секунду.

Впрочем, в своей естественной среде обитания — в глубинах болотных вод — T. majus не особенно часто и много двигаются. Они привязывают себя микроскопическими жгутиками к поверхностям и используют свободные жгутики для генерации электрического тока, мощности которого вполне хватает, чтобы втягивать питательные вещества из окружающей среды. А в еде болотные бактерии довольно непритязательны: они используют сульфиды, появляющиеся при гниении органических веществ, и кислород, необходимый для сжигания сульфидов.

Ещё в ходе предыдущих исследований Либхабер и его коллеги заметили, что большие связанные группы бактерий могут привлекать гораздо больше питательных веществ, чем поодиночке. И теперь учёные решили выяснить, почему так происходит.

"Поскольку представители вида T. majus способны генерировать большое количество энергии своими жгутиками, мы задумались, какая динамика в их активности может наблюдаться во время свободного плавания. Для этого мы рассмотрели колонию болотных бактерий под микроскопом", — рассказывает Либхабер.

Микроскопический анализ показал, что бактерии формируют структуру, похожую на кристаллическую решётку. Исследователи решили определить баланс физических сил, которые объяснили бы стремление к подобного рода организации.


Когда микроорганизмы поместили в камеру под наблюдательным стеклом микроскопа, они плыли либо вверх, либо вниз до тех пор, пока не сталкивались со стеклом. Как рассказывают учёные в пресс-релизе, затем они начинали биться о стекло, словно мухи в окно, пытающиеся вырваться наружу.

Плавая на месте, бактерии начали раскручивать водные потоки своими жгутиками сначала к себе, затем вверх, а потом вокруг собственной клетки, создавая этими движениями микроскопические торнадо. Эти водяные вихри затягивали ближайшие микробные клетки. Позднее все микроорганизмы формировали двухмерную решётку, напоминающую кристаллическую.

Находясь внутри «решётки», каждая клетка получает по шесть соседей, и создаётся шестиугольная структура, похожая на медовые соты. Подобный «рисунок» образуют стаи пингвинов, которые сбиваются вместе, чтобы согреться.

В ближайшее время учёным предстоит найти ответ на два вопроса. Прежде всего, необходимо выяснить, всегда ли так ведут себя представители T. majus, или же их поведение в естественной среде обитания и под стеклом микроскопа отличаются друг от друга. Затем нужно будет понять, почему именно такую структуру образуют колонии этих бактерий и как они научились сбиваться в столь необычную «стаю».