Bacteriile – Maeștri constructori de busole
Compasurile au jucat un rol esențial în istoria navigației. Cu toate acestea, timp de mii de ani înainte ca oamenii să le inventeze, acele de busolă au fost create și folosite la navigare de către bacteriile microscopice. Aceste bacterii trăiesc în aproape toate mediile acvatice din întreaga lume.
În renumita sa carte On the Origin of Species, Darwin a afirmat: „Dacă s-ar putea demonstra că a existat vreun organ complex care nu ar fi putut fi format prin numeroase modificări, succesive, subtile, teoria mea s-ar distruge în totalitate.”[1] La fel, celebrul evoluționist J.B.S. Haldane a susținut că evoluția nu ar putea produce niciodată „diverse mecanisme, cum ar fi roata și magnetul, care ar fi inutile până când devin perfecte.”[2] Totuși, de când Haldane a făcut această afirmație, atât magneții, cât și roțiile (componente circulare ale mașinilor care se rotesc în jurul axelor) au fost descoperite la multe specii de bacterii, împreună cu multe alte viețuitoare.
Cum le folosesc bacteriile pentru a naviga
Se pare că acele busolei întorc pasiv celulele spre nord sau spre sud, în același mod în care acele busolei artificiale se întorc pasiv către nord. Cu toate acestea, există dovezi că unele specii măsoară și modificările intensității câmpului magnetic pentru a optimiza navigația magnetică. Acest lucru face sistemul mai complex decât se credea anterior.
De ce trebuie să știe aceste bacterii în ce direcție este nordul? În coloana de apă și în sedimente se află un strat deasupra căruia există oxigen și sub care aproape că nu există oxigen. Bacteriilor magnetotactice (cele care pot detecta câmpul magnetic al Pământului) le place să trăiască în acest strat în care concentrația de oxigen este scăzută. Dacă o bacterie ar înota deasupra acestui nivel, concentrația de oxigen ar fi prea mare și ar trebui să revină jos. Aici intervin acele busolei.
Liniile de câmp magnetic sunt cel mai bine cunoscute pentru faptul că ele călătoresc de la Polul Sud magnetic al Pământului la Polul Nord. Dar ele ies și din pământ în emisfera sudică și revin în pământ în emisfera nordică (fig. 1). Astfel, bacteriile care doresc să călătorească în jos se îndreaptă spre nordul magnetic în emisfera nordică și spre sudul magnetic în emisfera sudică. Dacă aceste bacterii sunt mutate între emisfere, ele învață imediat că direcția în jos este acum în direcția opusă față de câmpul magnetic. Bacteriile pot găsi, de asemenea, condiții optime de creștere mai rapidă, deoarece călătoresc doar înainte și înapoi de-a lungul liniilor câmpului magnetic, mai degrabă decât să înoate aleator.
Astfel de busole sunt doar o componentă a sistemului complex de navigație al acestor microbi. Sistemul de navigație al unei celule (care include memoria pe termen scurt) procesează mii de semnale de la rețele de senzori care detectează diferite aspecte ale mediului înconjurător. Semnalele de ieșire sunt apoi transmise către motoarele celulei (vedeți „Amazingly designed motors”, p. 52) pentru a direcționa celula către condiții optime de creștere.
Construcția busolei
Construirea acelor busolei în bacterii nu este o operație inginerească neglijabilă. Necesită un nivel excepțional de ridicat de control și coordonare de către un număr de mașini moleculare. Acele sunt formate din cristale magnetice ale mineralului magnetit (oxid de fier Fe3O4), sau uneori greigit (sulfură de fier Fe3S4).
Procesul începe cu o celulă bacteriană care construiește numeroase „camere de reacție” numite magnetozomi. Fiecare este realizată prin plierea membranei interioare a celulei spre interior pentru a forma un compartiment sferic (ca o bulă). Printr-o linie complexă de producție, mașinile din celulă produc proteine specializate conform instrucțiunilor din ADN. Aceste proteine sunt apoi sortate și introduse în membranele magnetozomilor.
Ele sunt modificate de mai multe mașini într-un mod coordonat și treptat. Proteinele se conectează pentru a forma structuri mai mari care funcționează ca dispozitive moleculare ce mențin condițiile din interiorul magnetozomilor în parametrii fin reglați. Acest lucru este necesar pentru a susține creșterea cristalelor. În special, ele reglează nivelul de fier, potențialul redox (reducător/oxidant) și pH-ul (echilibrul acido-bazic).
Celula recoltează fier din mediul înconjurător, importându-l printr-un sistem complex de senzori și mașini moleculare. Aceasta include un motor electric mic ce alimentează mașinile care transportă fier. Odată înăuntru, fierul trebuie manevrat cu grijă deoarece este toxic. Bacteriile au sisteme complexe, bine reglate, pentru a gestiona acest risc. Ele depozitează fierul în recipiente speciale pentru proteine până când este nevoie de el (fig. 2). Mașinile modifică chimic fierul înainte de a-l depozita în containere.
Fierul este apoi transportat în interiorul magnetozomilor pentru a începe formarea cristalelor. Creșterea cristalelor pare foarte reglată, astfel încât în interiorul fiecărui magnetozom crește un singur cristal. Pe măsură ce cristalele cresc, peste zece tipuri diferite de proteine își ajustează dimensiunea și forma, făcându-le extrem de uniforme.
Diferitele specii fac cristale de diferite dimensiuni și forme. Numărul de cristale per celulă pare să fie, de asemenea, strâns reglat. Trebuie făcute suficiente cristale pentru a forma ace de busolă suficient de puternice, dar crearea suplimentară ar fi o risipă de energie. Acest reglaj complicat are ca rezultat cristale de o calitate excepțional de înaltă, cu câmpuri magnetice puternice și o distribuție uniformă a dimensiunilor.[3] Acest lucru le face „din ce în ce mai căutate… pentru aplicații industriale și medicale.”[4] Oamenii s-au chinuit să producă nanocristale magnetice de o calitate atât de înaltă.
În cele din urmă, cristalele sunt asamblate într-unul sau mai multe ace de busolă (fig. 3). Fibrele lungi asemănătoare cablurilor sunt construite de la un capăt la altul al celulei pentru a forma o „schelă mecanică sofisticată”[5] numită magnetoschelet.
Într-un proces coordonat care implică și mai multe mașini, magnetozomii sunt atașați de magnetoschelet și mutați de-a lungul acestuia pentru a forma un lanț lung de cristale. Magnetoscheletul trebuie să aibă un design puternic pentru a împiedica acul să se îndoaie și să se prăbușească pe el însuși din cauza atracției magnetice dintre cristale. Acul busolei completat poate funcționa acum ca „un senzor magnetic extrem de eficient”.4
Celulele unor bacterii au formă elicoidală, ca un tirbușon (fig. 3). Construirea unui ac de busolă drept în interiorul acestor celule, legarea lui în poziție și alinierea sa perfectă cu axa de înot a celulei este o provocare inginerească. Cu toate acestea, aceste bacterii o pot depăși. Modul în care o fac este subiectul mai multor cercetări.3 Dacă acul nu ar fi aliniat corect, celula s-ar prăbuși în timp ce forțele magnetice și cele asociate înotului l-ar trage în direcții ușor diferite.
Separarea lanțurilor de magnetozomi în timpul diviziunii celulare
Când bacteriile se reproduc prin divizarea în două celule noi, acele lor de busolă trebuie împărțite în mod egal între cele două celule. Acele sunt poziționate perfect la locul de divizare, tăiate cu „cea mai mare precizie posibilă la mijlocul lanțului” și separate în cele două celule cu „o precizie neașteptat de mare”.[6] Cele două jumătăți de ace sunt atrase magnetic una de cealaltă, ceea ce face ca separarea lor să fie o altă provocare de inginerie pe care trebuie să o depășească aceste bacterii.
Ele par să facă acest lucru folosind un mecanism de pârghie care necesită coordonarea și utilizarea mai multor mașini și schele structurale. Cele două jumătăți de ace sunt crescute până la forma lor deplină și transportate la mijlocul fiecăreia dintre cele două celule noi. Este încă necunoscut modul în care acele sunt transportate și se opresc îndată ce ajung în poziția perfectă, dar pare extrem de reglat.
Simbioză magnetică
Protistele sunt un grup mare de organisme unicelulare care, spre deosebire de bacterii, au un nucleu – de exemplu, amibele. O specie de protiste care utilizează flageli (cu un design radical diferit și chiar mai complex decât flagelul bacterian) pentru a înota, atașează o specie de bacterii magnetotactice care nu înoată.
Suprafața acestui protist este acoperită cu multe dintre aceste bacterii, care se aliniază cu câmpul magnetic al pământului. Aceasta, la rândul său, aliniază protistul cu câmpul, cele două specii devenind, de fapt, un superorganism magnetic. Protistul beneficiază de faptul că poate naviga de-a lungul câmpului Pământului. Bacteriile beneficiază și ele, deoarece nu pot înota singure. Cele două specii schimbă și unele produse metabolice.[7]
Motoare cu design uimitor
Bacteriile magnetotactice înoată folosind motoare electrice sofisticate bazate pe elice lungi elicoidale numite flageli. Aceste motoare au multe părți care îndeplinesc funcții similare cu cele ale pieselor din motoarele proiectate de om. Aceste piese includ angrenaje, rotoare, osii, arbori de transmisie, bucșe, rulmenți cu bile, lubrifianți (lipidici) de ulei, schele structurale, balamale, îmbinări universale, alte tipuri de îmbinări, inele adaptoare, întrerupătoare, statori, condensatori și senzori.[8]
O specie magnetotactică are unul dintre cele mai complexe și mai puternice motoare dintre vietăți, ilustrat aici. Acest motor este format din mai multe motoare coordonate[9] și permite bacteriei să înoate la peste 200 de lungimi ale corpului pe secundă.[10] La fel ca acele de busolă, aceste motoare electrice și construcția lor programată ca din fabrică reprezintă un obstacol profund în calea ideii că au apărut pur și simplu din materia neinteligentă.
Concluzie
Bacteriile sunt departe de a fi „primitive”. Pot fabrica ace de busolă de o calitate excepțional de înaltă și le pot folosi pentru a naviga de-a lungul liniilor câmpului magnetic folosind motoare electrice complexe. Sunt mai multe de învățat despre aceste dispozitive incredibile de navigație. După cum a spus un cercetător, „[navigația magnetică bacteriană] încă poartă caracteristici neașteptate și sofisticate care așteaptă să fie descoperite.”[11] Astfel de descoperiri vor continua, fără îndoială, să dezvăluie inteligența creatoare a lui Dumnezeu și să fie și mai dificil de explicat prin evoluție.
Autor: David Thomas
Sursa: Creation.com | Bacteria—master compass builders
[1] Darwin, C., Origin of Species, New York University Press, 1872.
[2] Is evolution a myth? A debate between D. Dewar and L.M. Davies vs J.B.S. Haldane, Watts & Co. Ltd / Paternoster Press, 1949. Vedeți și Thomas, B., Virus motors impossible for evolution, icr.org, 9 Ian 2009.
[3] Müller, F. și alți 2, A compass to boost navigation: Cell biology of bacterial magnetotaxis, J. Bacteriol., journals.asm.org, 8 Oct 2020.
[4] Moisescu, C. și alți 2, The effect and role of environmental conditions on magnetosome synthesis, Front. Microbiol., frontiersin.org, 11 Februarie 2014.
[5] Toro-Nahuelpan M. și alți 7, MamY is a membrane-bound protein that aligns magnetosomes and the motility axis of helical magnetotactic bacteria, Nat. Microbiol., nature.com, 29 Iul 2019.
[6] Toro-Nahuelpan M. și alți 5, Segregation of prokaryotic magnetosomes organelles is driven by treadmilling of a dynamic actin-like MamK filament, BMC Biol., bmcbiol.biomedcentral.com, 12 Oct 2016.
[7] Monteil, C. și alți 15, Ectosymbiotic bacteria at the origin of magnetoreception in a marine protist, Nature Microbiology 4:1088–1095, 2019.
[8] Thomas, D., E. coli’s electric motor: a marvel of design, Creation 44(1):42–45, 2022; creation.com/e-coli-motor,
[9] Ruan, J., și alți 8, Architecture of a flagellar apparatus in the fast-swimming magnetotactic bacterium MO-1, pnas.org, 11 Dec 2012. Vedeți și creation.com/7motors1.
[10] Bente, K. și alți 7, High-speed motility originates from cooperatively pushing and pulling flagella bundles in bilophotrichous bacteria, elifesciences.org, 18 Ian 2020
[11] Müller F., Perfect navigation: How to fit a compass needle into a helical bacterium?, naturemicrobiologycommunity.nature.com, 2 Aug 2019.