در سال ۱۶۰۰ میلادی، ویلیام گیلبرت از ویژگی های مغناطیسی زمین سخن به میان آورد. پیش از آن، رابرت ناتمن، قطب نماساز انگلیسی، دریافته بود که اگر یک سوزن آهن ربا شده را با نخ آویزان کند، سوزن در راستای شمال و جنوب آرایش می یابد. البته، وضع قرارگیری آن افقی نیست، بلکه آن انتهای سوزن که به سوی شمال قرار می گیرد، به سوی پایین گرایش دارد. برای مثال، در لندن (جایی که گیلبرت کار می کرد) انحراف سوزن از حالت افقی نزدیک ۷۰ درجه است. گیلبرت این انحراف را ناشی از تاثیر ویژگی های مغناطیسی زمین می دانست. او باور داشت که زمین همانند یک آهن ربای کروی است و میدان مغناطیسی آن در استوا، حالت افقی و در قطب ها، حالت عمودی دارد.

امروزه می دانیم این میدان بین قطب و استوا دارای زایه ی انحرافی است که با افزایش عرض جغرافیایی، افزایش می یابد. بنابراین، آن انتهای سوزن آهن ربا شده که به سوی شمال قرار می گیرد، در نیم کره شمالی به سوی شمال و پایین، در استوا به سوی شمال و به حالت افقی و در نیم کره ی جنوبی به سوی شمال و بالا آرایش می یابد. در مورد آن انتهای سوزن که به سوی جنوب قرا ر می گیرد، وضعیت واژگون است.

تا سال های اخیر، آدمی خود را تنها جانداری می دانست که برای جهت یابی از مغناطیس بهره می گیرد. اما در چند سال گذشته، ذره های آهن ربا در جاندارن گوناگونی کشف شده است. باکتری ها، نرم تنان دریایی، زنبورهای عسل، پراونه ها، کبوترهای خانگی و دلفین ها، از جاندرانی هستند که پیش از روشن شدن ویژگی های مغناطیس برای آدمی، از این پدیده بهره می گرفته اند. از میان این جانداران، به جریان کشف و مطالعه ی باکتری های مغناطیسی می پردازیم.

کشف باکتری های مغناطیسی

در سال ۱۹۷۵ میلادی، بلک مور در جریان مطالعه ی میکروسکوپی باکتری هایی که به طور معمول در گل و لای باتلاق های آب شور یافت می شوند، مشاهده کرد که آن ها همواره در یک سوی میدان دید شنا می کنند. آیا این باکتری ها در پاسخ به جهت نور چنین رفتاری نشان می دهند؟ او برای آزمون این فرضیه، میکروسکوپ را با جعبه ای پوشاند و جهت قرار گیری آن را تغییر داد. حتی آن را به اتاق دیگری جابه جا کرد. در همه ی این وضعیت ها، جهت حرکت باکتری ها تغییری نیافت.

بررسی های بعدی نشان داد که این باکتری ها 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 می کردند. وقتی جریان الکتریکی جاری در سیم پیچ واژگون شد، باکتری ها چرخشی ۱۸۰ درجه انجام دادند و این بار در جهت مخالف، یعنی به سوی جنوب، شنا کردند.

هر زمان که جریان واژگون می شد. باکتری ها چرخشی ۱۸۰ درجه ای انجام می دادند و در جهت میدان به کار رفته شنا می کردند. این باکتری ها حتی پس از مرگ، با وجود این که توان شنا کردن نداشتند، باز هم در میدان مغناطیسی آرایش ثابتی می گرفتند و با واژگون شدن جریان، ۱۸۰ درجه می چرخیدند. خلاصه، این باکتری ها آهن رباهای زنده ای هستند که به طور طبیعی تحت تاثیر میدان مغناطیسی زمین قرار می گیرند و با به کار گیری یک میدان مغناطیسی نیرومند تر می توان بر جهت حرکت آن ها تاثیر گذاشت.

زیر میکروسکوپ الکترونی

در رسوب های برداشت شده از باتلاق ها، تالاب ها و گنداب ها، تراکم باکتری های مغناطیسی به طور معمول بین ۱۰۰ تا ۱۰۰۰ سلول در هر میلی لیتر است. وقتی این رسوب ها در آزمایشگاه درون ظرف های شیشه ای نگهداری می شوند، تراکم آن ها طی چند هفته به ۰۰۰/۱۰۰ تا ۰۰۰/۰۰۰/۱ سلول در هر میلی لیتر می رسد. این جمعیت انبوه بدون دریافت مواد غذایی تا دوسال می ماند. در میان آن ها، باکتری های کروی، میله ای و مارپیچی با ویژگی های ریختی گوناگون دیده می شود.

این باکتری ها هم در رسوب های آب های شیرین و هم در رسوب های دریایی یافت شده اند. یکی از آن ها، باکتری مارپیچی به نام Aquaspirillum magnetotacticum است که در آب های شیرین یافت می شود. این باکتری بر خلاف بسیاری از باکتری های مغناطیسی، در هر دو انتهای خود تاژک دارد و می تواند به جلو یا عقب شنا کند. در بررسی ساختمان درونی این باکتری با استفاده از میکروسکوپ الکترونی، مشخص شد که حدود ۲۰ ذره ی مکعبی یا هشت وجهی زنجیره وار در راستای محور طولی سلول آرایش یافته اند. این ذره ها در سیتوپلاسم همه ی باکتری های مغناطیسی که بررسی شده اند، دیده می شود.

ذره های مکعبی، که اکسید آهن ربای آهن هستند، بیش تر در قالب یک یا دو زنجیره آرایش یافته اند و شکل و اندازه یک دستی دارند. هر ذره را غشایی در بر می گیرد که همواره در نزدیکی غشای سیتوپلاسمی قرار دارد و ممکن است به آن متصل باشد. چنین به نظر می رسد که غشای در بر گیرنده ی ذره ها باعث تثبیت جایگاه آن ها در سلول می شود. مجموعه ذره ها و غشای در بر گیرنده ی آن ها را مگنتوزوم می نامند.

نقش زیستی مگنتوزوم

اگر به محیط کشت A. magnetotactium آهن افزوده شود (به شکل یک ترکیب آلی محلول با غلظت یک یا دو میلی گرم در هر لیتر، زیرا آهن معدنی در آب به اکسید نامحلولی دگرگونه می شود که جذب آهن را برای جاندار دشوار می سازد) باکتری ها رشد می کنند، مگنتوزوم می سازند و در تاثیر میدان مغناطیسی قرار می گیرند. اگر آن ها به محیطی فقیر از نظر آهن(کم تر از نیم میلی گرم در هر لیتر) جابه جا شوند، رشد خواهند کرد، اما مگنتوزوم نمی سازند و در تاثیر میدان مغناطیسی قرار نمی گیرند. این آزمایش نشان می دهد که این باکتری ها فعالانه در ساختن آهن رباهای میکروسکوپی خود شرکت می کنند.

آیا هزینه کردن انرژی برای ساختن آهن ربا برای باکتری پیامد سودمندی نیز دارد؟ همان طور که گفته شد میدان مغناطیسی زمین، در نیم کره ی شمالی به سوی شمال و پایین و در نیم کره ی جنوبی به سوی شمال و بالا گرایش دارد. با دور شدن از استوا و نزدیک شدن به قطب ها، انحراف آن از حالت افقی افزایش می یابد. به دلیل انحراف میدان مغناطیسی، در نیم کره ی شمالی باکتری های شمال جو، به سوی پایین و باکتری های جنوب جو به سمت بالا شنا می کنند.

اما در نیم کره ی شمالی، بیش تر باکتری های مغناطیسی، شمال جو هستند. از این رو، این باکتری ها بیش تر در گل و لای و رسوب های کف آبگیرها یافت می شوند. این باکتری های کف زی، بی هوازی هستند یا درمحیط هایی که غلظت اکسیژن اندک است، بهتر رشد می کنند. گرایش به شنا کردن به سوی پایین برای باکتری ها نوعی برتری به مشار می آید، زیرا به آن ها کمک می کند که از پیامدهای زهرآگینی غلظت بالای اکسیژن در سطح آب درامان بمانند.

بر اساس این فرضیه، می توان انتظار داشت که باکتری های مغناطیسی در نیم کره ی جنوبی بیش تر از نوع جنوب جو باشند و بنابراین به سوی پایین شنا می کنند و در رسوب ها و دور از آب های سطحی به سر می برند. بررسی های انجام شده در نیوزلند، درستی این فرضیه را نشان داد. هم چنین، بررسی های انجام شده در مورد رسوب های به دست آمده از بخش های استوایی، از وجود باکتری های مغناطیسی در آن ها خبر داد که در راستای افق آرایش می یابند و جمعیت باکتری های جنوب جو و شمال جو در آن ها یکسان است. جابه جایی در راستای افق، باکتری ها را از انحراف خطرناک به سمت محیط پراکسیژن و زهرآگین سطح آب در امان نگه می دارد.

آهن ربای مریخی

در سال ۱۹۹۶ میلادی، دیوید مکای و همکارانش بر اساس بررسی هایی که انجام داده بودند، نظریه ای را مبنی بر وجود نوعی زندگی ابتدایی در سیاره ی مریخ پیشنهاد کردند. از آن زمان تاکنون شواهدی مبنی بر رد یا تایید این نظریه ی عرضه شده است. به تازگی پژوهشگران در یکی از شهاب سنگ های مریخی، بلورهای آهن ربایی پیدا کرده اند که به بلورهای باکتری های مغناطیسی شباهت زیادی دارند. این شهاب سنگ که حدود ۵/۴ میلیارد سال قدمت دراد، در قطب جنوب پیدا شده است.

دانشمندان بر این باورند که این شهاب سنگ عضوی از یک مجموعه ۱۶ عددی از شهاب سنگ های مریخی است که نزدیک ۱۳ هزار سال پیش در یخ های قطب مدفون شده اند. بلورهای آهن ربای موجود در این شهاب سنگ که ALH۸۴۰۰۱ نام گرفته است، در کربنات هایی با قدمت ۹/۳ میلیارد سال پیدا شده اند. بررسی ها نشان داده است که این کربنات ها در سطح مریخ تشکیل شده اند. بنابراین، به نظر می رسد که بلورهای آهن ربا نیز در سطح مریخ شکل گرفته اند.

این بلورها که از شهاب سنگ استخراج شده و با میکروسکوپ الکترونی مورد مطالعه قرار گرفته اند، بسیار ریزند و شکل هندسی بسیار منظم و خلوص بسیار بالایی دارند. بسیار دور به نظر می رسد که چنین بلورهای طی فرایندهای نازیستی تولید شده باشند، زیرا آهن ربایی که در فرایندهای نازیستی شکل می گیرد، خلوص بالایی ندارد و در شکل هندسی آن نیز نظم چشم گیری دیده نمی شود. بنابراین، به نظر می رسد که این بلورها نشانه های نوعی زندگی ابتدایی در سیاره ی مریخ باشند.

بررسی های گسترده پژوهشگران این احتمال را که بلورهای آهن ربا ممکن است در اثر آلودگی های زمینی وارد شهاب سنگ های مریخی شده باشند، رد کرده است. ایمر فریدمن، که مقاله ای در همین زمینه در مجله ی PNAS به چاپ رسانده است، می گوید:" بلورها درون رسوب های کربناتی جای گرفته اند و خود این رسوب ها نیز درون گویچه های شیشه ای جای دارند. از این رو، به نظر نمی رسد این باکتری ها توانسته باشند وارد این صخره بشوند." هم چنین او در مقاله ی خود ادعا کرده است که دانه های آهن ربای شهاب سنگ مریخی همانند دانه های مروارید در یک زنجیره آرایش یافته اند.

با این همه، هر چند به گمان برخی شاید باکتری های مغناطیسی از جمله نخستین ساکنان سیاره ی سرخ بوده اند، بیش تر دانشمندان بر این باورند شواهدی که از این شهاب سنگ به دست آمده اند، قانع کننده نیستند. به نظر می رسد بگومگوهایی که پیرامون زندگی در کره ی مریخ وجود دارد، تنها زمانی به سرانجام خواهد رسید که نمونه هایی از خود سیاره، به ویژه از بستر رودخانه ها و دریاچه های خشک شده ی آن، گردآوری شود.

بلورهای آهن ربای باکتری های مغناطیسی خلوص و ظرافت بالایی دارند. به کمک روش های مهندسی ژنتیک می توان مقدار زیادی از این بلورها تولید کرد. این آهن رباهای 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).