Открытия в микромире: удивительные свойства древних бактерий в бассейне Куатро-Сьенегас показывают их невероятную способность к самоорганизации. Биоконвекция как метод выживания в крайне сложных условиях.
Пустынный климат на севере Мексики давно привлекал внимание профессора Джоэла Ставанса, который работает в Институте Вейцмана и занимается физикой биологических процессов, проявляя особый интерес к естественным бактериальным экосистемам. Он узнал о необычной водной среде в бассейне Куатро-Сьенегас, что в переводе с испанского означает «четыре болота», в штате Коауила. Этот регион славится удивительным разнообразием живых организмов. Ставанса особенно интересовали редкие микробные сообщества, которые развиваются в экстремальных условиях, напоминающих те, которые существовали на Земле в докембрийскую эпоху, примерно 700 миллионов лет назад.
Джоэл Ставанс и его ученик доктор Ринат Арбель-Горен, старший научный сотрудник лаборатории Института Вейцмана, отправились в экспедицию для сбора биологического материала в этом регионе. После возвращения в Израиль с несколькими образцами древних видов к ним присоединился доктор Оскар Гальярдо-Наварро, микробиолог из Мексики, который хорошо знаком с этой уникальной средой.
В одном из экспериментов Гальярдо-Наварро с удивлением заметил, что, несмотря на развитие в статических условиях, бактериальные культуры формировали как мутные, так и прозрачные динамические зоны, которые можно было увидеть невооруженным глазом. Это были характерные узоры, присущие каждому виду бактерий. Они определили все последующее исследование, результаты которого были опубликованы в журнале Nature Communications.
Группа исследователей под руководством Ставанса обнаружила, что разные виды бактерий, которые стремятся к зонам с повышенной концентрацией кислорода, демонстрировали уникальные паттерны самоорганизации. Каждый вид формировал свою собственную пространственную структуру: одни создавали шестиугольники, другие — удлиненные или извивающиеся линии. Ученые предполагают, что эти открытия могут углубить наше понимание коллективного поведения в природных системах, таких как стаи птиц, косяки рыб и колонии муравьев, и могут оказать влияние на изучение коллективного поведения людей и даже роботов.
Джоэл Ставанс считает, что наблюдаемые закономерности являются следствием биоконвекции. В естественном водоеме и в лабораторной чашке Петри аэробные бактерии поднимаются к поверхности воды, где кислорода больше.
Поскольку плотность бактериальных клеток превышает плотность воды, гравитация тянет их обратно вниз, как только они достигают поверхности. В итоге возникает взаимодействие противоположных сил: гравитационного притяжения, действующего вниз, и биологической потребности бактерий в кислороде, тянущей их вверх. Таким образом, формируется долговременный самоподдерживающийся цикл.