هزار سال پيش از اختراع قطب‌نماي مغناطيسي در سده‌هاي ميانه(قرون وسطي)، چيني‌ها و يونانيان با ويژگي‌هاي مغناطيسي سنگ‌هاي آهن‌ربا آشنا شده بودند. بخش اصلي نخستين قطب‌نما را قطعه‌‌ي درازي از آهن‌رباي طبيعي(سنگ آهن‌ربا) تشكيل مي‌داد. سپس آدمي دريافت كه با مالش دادن يك سوزن آهني به آهن‌‌رباي طبيعي، مي‌توان نوعي آهن‌رباي ساختگي(مصنوعي) به دست آورد و از آن در ساختمان قطب‌نما بهره گرفت.

در سال 1600 ميلادي، ويليام گيلبرت از ويژگي‌هاي مغناطيسي زمين سخن به ميان آورد. پيش از آن، رابرت ناتمن، قطب‌نماساز انگليسي، دريافته بود كه اگر يك سوزن آهن‌ربا شده را با نخ آويزان كند، سوزن در راستاي شمال و جنوب آرايش مي‌يابد. البته، وضع قرارگيري آن افقي نيست، بلكه آن انتهاي سوزن كه به سوي شمال قرار مي‌گيرد، به سوي پايين گرايش دارد. براي مثال، در لندن (جايي كه گيلبرت كار مي‌كرد) انحراف سوزن از حالت افقي نزديك 70 درجه است. گيلبرت اين انحراف را ناشي از تاثير ويژگي‌هاي مغناطيسي زمين مي دانست. او باور داشت كه زمين همانند يك‌ آهن‌رباي كروي است و ميدان مغناطيسي آن در استوا، حالت افقي و در قطب‌ها، حالت عمودي دارد.

امروزه مي‌دانيم اين ميدان بين قطب و استوا داراي زايه‌ي انحرافي است كه با افزايش عرض جغرافيايي، افزايش مي‌يابد. بنابراين، آن انتهاي سوزن آهن‌ربا شده كه به سوي شمال قرار مي ‌ گيرد، در نيم‌كره شمالي به سوي شمال و پايين، در استوا به سوي شمال و به حالت افقي و در نيم‌كره‌ي جنوبي به سوي شمال و بالا آرايش مي‌يابد. در مورد آن انتهاي سوزن كه به سوي جنوب قرا ر مي ‌ گيرد، وضعيت واژگون است.

تا سال‌هاي اخير، آدمي خود را تنها جانداري مي‌دانست كه براي جهت‌يابي از مغناطيس بهره مي‌گيرد. اما در چند سال گذشته، ذره‌هاي آهن‌ربا در جاندارن گوناگوني كشف شده است. باكتري‌ها، نرم تنان دريايي، زنبورهاي عسل، پراونه ها، كبوترهاي خانگي و دلفين‌ها، از جاندراني هستند كه پيش از روشن شدن ويژگي‌هاي مغناطيس براي آدمي، از اين پديده بهره مي‌گرفته‌اند. از ميان اين جانداران، به جريان كشف و مطالعه‌ي باكتري‌هاي مغناطيسي مي‌پردازيم.

كشف باكتري‌هاي مغناطيسي

در سال 1975 ميلادي، بلك مور در جريان مطالعه‌ي ميكروسكوپي باكتري‌هايي كه به طور معمول در گل و لاي باتلاق‌هاي آب شور يافت مي شوند، مشاهده كرد كه آن‌ها همواره در يك سوي ميدان ديد شنا مي كنند. آيا اين باكتري‌ها در پاسخ به جهت نور چنين رفتاري نشان مي‌دهند؟ او براي آزمون اين فرضيه، ميكروسكوپ را با جعبه‌اي پوشاند و جهت قرار گيري آن را تغيير داد. حتي آن را به اتاق ديگري جابه‌جا كرد. در همه‌ي اين وضعيت‌ها، جهت حركت باكتري‌ها تغييري نيافت.

بررسي‌هاي بعدي نشان داد كه اين باكتري‌ها پيوسته به سوي شمال شنا مي كنند. بلك مور و همكارانش با استفاده از سيم پيچ ويژه اي، ميدان مغناطيسي قابل تنظيمي را در پيرامون ميكروسكوپ ايجاد كردند. وقتي محور اين سيم پيچ در جهت شمال – جنوب بود، باكتر ها در راستاي شمال – جنوب به سوي شمال شنا مي‌كردند. وقتي جريان الكتريكي جاري در سيم پيچ واژگون شد، باكتري‌ها چرخشي 180 درجه انجام دادند و اين بار در جهت مخالف، يعني به سوي جنوب، شنا كردند.

هر زمان كه جريان واژگون مي‌شد. باكتري ها چرخشي 180 درجه‌اي انجام مي‌دادند و در جهت ميدان به كار رفته شنا مي‌كردند. اين باكتري‌ها حتي پس از مرگ، با وجود اين كه توان شنا كردن نداشتند، باز هم در ميدان مغناطيسي آرايش ثابتي مي‌گرفتند و با واژگون شدن جريان، 180 درجه مي چرخيدند. خلاصه، اين باكتري‌ها آهن رباهاي زنده اي هستند كه به طور طبيعي تحت تاثير ميدان مغناطيسي زمين قرار مي‌گيرند و با به كار گيري يك ميدان مغناطيسي نيرومند‌تر مي‌توان بر جهت حركت آن‌ها تاثير گذاشت.

زير ميكروسكوپ الكتروني

در رسوب‌هاي برداشت شده از باتلاق‌ها، تالاب‌ها و گنداب‌ها، تراكم باكتري‌هاي مغناطيسي به طور معمول بين 100 تا 1000 سلول در هر ميلي ليتر است. وقتي اين رسوب‌ها در آزمايشگاه درون ظرف‌هاي شيشه‌اي نگهداري مي‌شوند، تراكم آن‌ها طي چند هفته به 000/100 تا 000/000/1 سلول در هر ميلي‌ليتر مي‌رسد. اين جمعيت انبوه بدون دريافت مواد غذايي تا دوسال مي‌ماند. در ميان آن‌ها، باكتري‌هاي كروي، ميله‌اي و مارپيچي با ويژگي‌هاي ريختي گوناگون ديده مي‌شود.

اين باكتري‌ها هم در رسوب‌هاي آب‌هاي شيرين و هم در رسوب‌هاي دريايي يافت شده‌اند. يكي از آن‌ها، باكتري مارپيچي به نام Aquaspirillum magnetotacticum است كه در آب‌هاي شيرين يافت مي‌شود. اين باكتري بر خلاف بسياري از باكتري‌هاي مغناطيسي، در هر دو انتهاي خود تاژك دارد و مي‌تواند به جلو يا عقب شنا كند. در بررسي ساختمان دروني اين باكتري با استفاده از ميكروسكوپ الكتروني، مشخص شد كه حدود 20 ذره‌ي مكعبي يا هشت وجهي زنجيره‌وار در راستاي محور طولي سلول آرايش يافته‌اند. اين ذره‌ها در سيتوپلاسم همه‌ي باكتري‌هاي مغناطيسي كه بررسي شده‌اند، ديده مي‌شود.

ذره‌هاي مكعبي، كه اكسيد آهن‌رباي آهن هستند، بيش‌تر در قالب يك يا دو زنجيره آرايش يافته‌اند و شكل و اندازه يك‌دستي دارند. هر ذره را غشايي در بر مي‌گيرد كه همواره در نزديكي غشاي سيتوپلاسمي قرار دارد و ممكن است به آن متصل باشد. چنين به نظر مي رسد كه غشاي در بر گيرنده‌ي ذره‌ها باعث تثبيت جايگاه آن‌ها در سلول مي‌شود. مجموعه ذره ها و غشاي در بر گيرنده‌ي آن‌ها را مگنتوزوم مي‌نامند.

نقش زيستي مگنتوزوم

اگر به محيط كشت A. magnetotactium آهن افزوده شود (به شكل يك تركيب آلي محلول با غلظت يك يا دو ميلي‌گرم در هر ليتر، زيرا آهن معدني در آب به اكسيد نامحلولي دگرگونه مي‌شود كه جذب آهن را براي جاندار دشوار مي سازد) باكتري ها رشد مي كنند، مگنتوزوم مي‌سازند و در تاثير ميدان مغناطيسي قرار مي‌گيرند. اگر آن‌ها به محيطي فقير از نظر آهن(كم تر از نيم ميلي‌گرم در هر ليتر) جابه‌جا شوند، رشد خواهند كرد، اما مگنتوزوم نمي‌سازند و در تاثير ميدان مغناطيسي قرار نمي‌گيرند. اين آزمايش نشان مي دهد كه اين باكتري‌ها فعالانه در ساختن آهن‌رباهاي ميكروسكوپي خود شركت مي كنند.

آيا هزينه كردن انرژي براي ساختن آهن‌ربا براي باكتري پيامد سودمندي نيز دارد؟ همان‌طور كه گفته شد ميدان مغناطيسي زمين، در نيم‌كره‌ي شمالي به سوي شمال و پايين و در نيم‌كره‌ي جنوبي به سوي شمال و بالا گرايش دارد. با دور شدن از استوا و نزديك شدن به قطب‌ها، انحراف آن از حالت افقي افزايش مي‌يابد. به دليل انحراف ميدان مغناطيسي، در نيم‌كره‌ي شمالي باكتري‌هاي شمال‌جو، به سوي پايين و باكتري‌هاي جنوب‌جو به سمت بالا شنا مي‌كنند.

اما در نيم كره‌ي شمالي، بيش‌تر باكتري‌هاي مغناطيسي، شمال‌جو هستند. از اين رو، اين باكتري‌ها بيش‌تر در گل و لاي و رسوب‌هاي كف آبگيرها يافت مي‌شوند. اين باكتري‌هاي كف‌زي، بي‌هوازي هستند يا درمحيط‌هايي كه غلظت اكسيژن اندك است، بهتر رشد مي‌كنند. گرايش به شنا كردن به سوي پايين براي باكتري‌ها نوعي برتري به مشار مي‌آيد، زيرا به آن‌ها كمك مي‌كند كه از پيامدهاي زهرآگيني غلظت بالاي اكسيژن در سطح آب درامان بمانند.

بر اساس اين فرضيه، مي‌توان انتظار داشت كه باكتري‌هاي مغناطيسي در نيم‌كره‌ي جنوبي بيش‌تر از نوع جنوب‌جو باشند و بنابراين به سوي پايين شنا مي‌كنند و در رسوب‌ها و دور از آب‌هاي سطحي به سر مي‌برند. بررسي‌هاي انجام شده در نيوزلند، درستي اين فرضيه را نشان داد. هم‌چنين، بررسي‌هاي انجام شده در مورد رسوب‌هاي به دست آمده از بخش‌هاي استوايي، از وجود باكتري‌هاي مغناطيسي در آن‌ها خبر داد كه در راستاي افق آرايش مي‌يابند و جمعيت باكتري‌هاي جنوب‌جو و شمال‌جو در آن‌ها يكسان است. جابه‌جايي در راستاي افق، باكتري‌ها را از انحراف خطرناك به سمت محيط پراكسيژن و زهرآگين سطح آب در امان نگه مي‌دارد.

آهن‌رباي مريخي

در سال 1996 ميلادي، ديويد مكاي و همكارانش بر اساس بررسي‌هايي كه انجام داده بودند، نظريه‌اي را مبني بر وجود نوعي زندگي ابتدايي در سياره‌ي مريخ پيشنهاد كردند. از آن زمان تاكنون شواهدي مبني بر رد يا تاييد اين نظريه‌ي عرضه شده است. به تازگي پژوهشگران در يكي از شهاب‌سنگ‌هاي مريخي، بلورهاي آهن‌ربايي پيدا كرده‌اند كه به بلورهاي باكتري‌هاي مغناطيسي شباهت زيادي دارند. اين شهاب‌سنگ كه حدود 5/4 ميليارد سال قدمت دراد، در قطب جنوب پيدا شده است.

دانشمندان بر اين باورند كه اين شهاب‌سنگ عضوي از يك مجموعه 16 عددي از شهاب‌سنگ‌هاي مريخي است كه نزديك 13 هزار سال پيش در يخ‌هاي قطب مدفون شده‌اند. بلورهاي آهن‌رباي موجود در اين شهاب‌سنگ كه ALH84001 نام گرفته است، در كربنات‌هايي با قدمت 9/3 ميليارد سال پيدا شده‌اند. بررسي‌ها نشان داده است كه اين كربنات‌ها در سطح مريخ تشكيل شده‌اند. بنابراين، به نظر مي‌رسد كه بلورهاي آهن‌ربا نيز در سطح مريخ شكل گرفته‌اند.

اين بلورها كه از شهاب سنگ استخراج شده و با ميكروسكوپ الكتروني مورد مطالعه قرار گرفته‌اند، بسيار ريزند و شكل هندسي بسيار منظم و خلوص بسيار بالايي دارند. بسيار دور به نظر مي‌رسد كه چنين بلورهاي طي فرايندهاي نازيستي توليد شده باشند، زيرا آهن‌ربايي كه در فرايندهاي نازيستي شكل مي گيرد، خلوص بالايي ندارد و در شكل هندسي آن نيز نظم چشم‌گيري ديده نمي‌شود. بنابراين، به نظر مي‌رسد كه اين بلورها نشانه‌هاي نوعي زندگي ابتدايي در سياره‌ي مريخ باشند.

بررسي‌هاي گسترده پژوهشگران اين احتمال را كه بلورهاي آهن‌ربا ممكن است در اثر آلودگي‌هاي زميني وارد شهاب‌سنگ‌هاي مريخي شده باشند، رد كرده است. ايمر فريدمن، كه مقاله‌اي در همين زمينه در مجله‌ي PNAS به چاپ رسانده‌ است، مي‌گويد:" بلورها درون رسوب‌هاي كربناتي جاي گرفته‌اند و خود اين رسوب‌ها نيز درون گويچه‌هاي شيشه‌اي جاي دارند. از اين رو، به نظر نمي‌رسد اين باكتري‌ها توانسته باشند وارد اين صخره بشوند." هم‌چنين او در مقاله‌ي خود ادعا كرده است كه دانه هاي آهن‌رباي شهاب‌سنگ مريخي همانند دانه‌هاي مرواريد در يك زنجيره آرايش يافته اند.

با اين همه، هر چند به گمان برخي شايد باكتري‌هاي مغناطيسي از جمله نخستين ساكنان سياره‌ي سرخ بوده‌اند، بيش‌تر دانشمندان بر اين باورند شواهدي كه از اين شهاب‌سنگ به دست آمده‌اند، قانع كننده نيستند. به نظر مي‌رسد بگومگوهايي كه پيرامون زندگي در كره‌ي مريخ وجود دارد، تنها زماني به سرانجام خواهد رسيد كه نمونه‌هايي از خود سياره، به‌ويژه از بستر رودخانه‌ها و درياچه‌هاي خشك شده‌ي آن، گردآوري شود.

كلام آخر

بلورهاي آهن‌رباي باكتري‌هاي مغناطيسي خلوص و ظرافت بالايي دارند. به كمك روش‌هاي مهندسي ژنتيك مي‌توان مقدار زيادي از اين بلورها توليد كرد. اين آهن‌رباهاي ظريف صنعت الكترونيك را متحول مي سازند.

منبع:

1.R. P. Blakemore, R. B. Frankel, Magnetic Navigation in Bacteria. Scientific American 245, Vol. 6, 58-65 (1981).

2. Science Daily Magazine, Feb 2001

3. NASA Jonson Space Center, Feb 2001

4. New Scientist,19 May 2001

اين هم مقاله‌هاي از دانشمند ايراني، آرش كميلي، پيرامون باكتري‌هاي مغناطيسي

1. Komeili A, Li Z, Newman DK, Jensen GJ. 2006. Magentosomes are cell memebrane invaginations organized by the actin-like protein, MamK. Science. 311: 242-245.

2. Komeili A, Vali H, Beveridge TJ, Newman DK. Magnetosome vesicles are present prior to magnetite formation and are activated by the MamA protein. PNAS. 101:3839-44 (2004).
3. Weiss B.P., Kim S.S., Kirschvink J.L., Sankaran M., Kobayashi A., Komeili A. Magnetic Tests for Magnetosome Chains in Martian Meteorite ALH84001. PNAS. 101:8281-4 (2004).
4. 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. 224:73-89 (2004).