هزار سال پيش از اختراع قطب‌نماى مغناطيسى در سده‌هاى ميانه(قرون وسطى)، چيني‌ها و يونانيان با ويژگي‌هاى مغناطيسى سنگ‌هاى آهن‌ربا آشنا شده بودند. بخش اصلى نخستين قطب‌نما را قطعه‌‌ى درازى از آهن‌رباى طبيعى(سنگ آهن‌ربا) تشکيل مي‌داد. سپس آدمى دريافت که با مالش دادن يک سوزن آهنى به آهن‌‌رباى طبيعى، مي‌توان نوعى آهن‌رباى ساختگى(مصنوعى) به دست آورد و از آن در ساختمان قطب‌نما بهره گرفت.

در سال 1600 ميلادى، ويليام گيلبرت از ويژگي‌هاى مغناطيسى زمين سخن به ميان آورد. پيش از آن، رابرت ناتمن، قطب‌نماساز انگليسى، دريافته بود که اگر يک سوزن آهن‌ربا شده را با نخ آويزان کند، سوزن در راستاى شمال و جنوب آرايش مي‌يابد. البته، وضع قرارگيرى آن افقى نيست، بلکه آن انتهاى سوزن که به سوى شمال قرار مي‌گيرد، به سوى پايين گرايش دارد. براى مثال، در لندن (جايى که گيلبرت کار مي‌کرد) انحراف سوزن از حالت افقى نزديک 70 درجه است. گيلبرت اين انحراف را ناشى از تاثير ويژگي‌هاى مغناطيسى زمين مى دانست. او باور داشت که زمين همانند يک‌ آهن‌رباى کروى است و ميدان مغناطيسى آن در استوا، حالت افقى و در قطب‌ها، حالت عمودى دارد.

امروزه مي‌دانيم اين ميدان بين قطب و استوا داراى زايه‌ى انحرافى است که با افزايش عرض جغرافيايى، افزايش مي‌يابد. بنابراين، آن انتهاى سوزن آهن‌ربا شده که به سوى شمال قرار مى ‌ گيرد، در نيم‌کره شمالى به سوى شمال و پايين، در استوا به سوى شمال و به حالت افقى و در نيم‌کره‌ى جنوبى به سوى شمال و بالا آرايش مي‌يابد. در مورد آن انتهاى سوزن که به سوى جنوب قرا ر مى ‌ گيرد، وضعيت واژگون است.

تا سال‌هاى اخير، آدمى خود را تنها جاندارى مي‌دانست که براى جهت‌يابى از مغناطيس بهره مي‌گيرد. اما در چند سال گذشته، ذره‌هاى آهن‌ربا در جاندارن گوناگونى کشف شده است. باکتري‌ها، نرم تنان دريايى، زنبورهاى عسل، پراونه ها، کبوترهاى خانگى و دلفين‌ها، از جاندرانى هستند که پيش از روشن شدن ويژگي‌هاى مغناطيس براى آدمى، از اين پديده بهره مي‌گرفته‌اند. از ميان اين جانداران، به جريان کشف و مطالعه‌ى باکتري‌هاى مغناطيسى مي‌پردازيم.

کشف باکتري‌هاى مغناطيسى

در سال 1975 ميلادى، بلک مور در جريان مطالعه‌ى ميکروسکوپى باکتري‌هايى که به طور معمول در گل و لاى باتلاق‌هاى آب شور يافت مى شوند، مشاهده کرد که آن‌ها همواره در يک سوى ميدان ديد شنا مى کنند. آيا اين باکتري‌ها در پاسخ به جهت نور چنين رفتارى نشان مي‌دهند؟ او براى آزمون اين فرضيه، ميکروسکوپ را با جعبه‌اى پوشاند و جهت قرار گيرى آن را تغيير داد. حتى آن را به اتاق ديگرى جابه‌جا کرد. در همه‌ى اين وضعيت‌ها، جهت حرکت باکتري‌ها تغييرى نيافت.

بررسي‌هاى بعدى نشان داد که اين باکتري‌ها پيوسته به سوى شمال شنا مى کنند. بلک مور و همکارانش با استفاده از سيم پيچ ويژه اى، ميدان مغناطيسى قابل تنظيمى را در پيرامون ميکروسکوپ ايجاد کردند. وقتى محور اين سيم پيچ در جهت شمال – جنوب بود، باکتر ها در راستاى شمال – جنوب به سوى شمال شنا مي‌کردند. وقتى جريان الکتريکى جارى در سيم پيچ واژگون شد، باکتري‌ها چرخشى 180 درجه انجام دادند و اين بار در جهت مخالف، يعنى به سوى جنوب، شنا کردند.

هر زمان که جريان واژگون مي‌شد. باکترى ها چرخشى 180 درجه‌اى انجام مي‌دادند و در جهت ميدان به کار رفته شنا مي‌کردند. اين باکتري‌ها حتى پس از مرگ، با وجود اين که توان شنا کردن نداشتند، باز هم در ميدان مغناطيسى آرايش ثابتى مي‌گرفتند و با واژگون شدن جريان، 180 درجه مى چرخيدند. خلاصه، اين باکتري‌ها آهن رباهاى زنده اى هستند که به طور طبيعى تحت تاثير ميدان مغناطيسى زمين قرار مي‌گيرند و با به کار گيرى يک ميدان مغناطيسى نيرومند‌تر مي‌توان بر جهت حرکت آن‌ها تاثير گذاشت.

زير ميکروسکوپ الکترونى

در رسوب‌هاى برداشت شده از باتلاق‌ها، تالاب‌ها و گنداب‌ها، تراکم باکتري‌هاى مغناطيسى به طور معمول بين 100 تا 1000 سلول در هر ميلى ليتر است. وقتى اين رسوب‌ها در آزمايشگاه درون ظرف‌هاى شيشه‌اى نگهدارى مي‌شوند، تراکم آن‌ها طى چند هفته به 000/100 تا 000/000/1 سلول در هر ميلي‌ليتر مي‌رسد. اين جمعيت انبوه بدون دريافت مواد غذايى تا دوسال مي‌ماند. در ميان آن‌ها، باکتري‌هاى کروى، ميله‌اى و مارپيچى با ويژگي‌هاى ريختى گوناگون ديده مي‌شود.

اين باکتري‌ها هم در رسوب‌هاى آب‌هاى شيرين و هم در رسوب‌هاى دريايى يافت شده‌اند. يکى از آن‌ها، باکترى مارپيچى به نام Aquaspirillum magnetotacticum است که در آب‌هاى شيرين يافت مي‌شود. اين باکترى بر خلاف بسيارى از باکتري‌هاى مغناطيسى، در هر دو انتهاى خود تاژک دارد و مي‌تواند به جلو يا عقب شنا کند. در بررسى ساختمان درونى اين باکترى با استفاده از ميکروسکوپ الکترونى، مشخص شد که حدود 20 ذره‌ى مکعبى يا هشت وجهى زنجيره‌وار در راستاى محور طولى سلول آرايش يافته‌اند. اين ذره‌ها در سيتوپلاسم همه‌ى باکتري‌هاى مغناطيسى که بررسى شده‌اند، ديده مي‌شود.

ذره‌هاى مکعبى، که اکسيد آهن‌رباى آهن هستند، بيش‌تر در قالب يک يا دو زنجيره آرايش يافته‌اند و شکل و اندازه يک‌دستى دارند. هر ذره را غشايى در بر مي‌گيرد که همواره در نزديکى غشاى سيتوپلاسمى قرار دارد و ممکن است به آن متصل باشد. چنين به نظر مى رسد که غشاى در بر گيرنده‌ى ذره‌ها باعث تثبيت جايگاه آن‌ها در سلول مي‌شود. مجموعه ذره ها و غشاى در بر گيرنده‌ى آن‌ها را مگنتوزوم مي‌نامند.

نقش زيستى مگنتوزوم

اگر به محيط کشت A. magnetotactium آهن افزوده شود (به شکل يک ترکيب آلى محلول با غلظت يک يا دو ميلي‌گرم در هر ليتر، زيرا آهن معدنى در آب به اکسيد نامحلولى دگرگونه مي‌شود که جذب آهن را براى جاندار دشوار مى سازد) باکترى ها رشد مى کنند، مگنتوزوم مي‌سازند و در تاثير ميدان مغناطيسى قرار مي‌گيرند. اگر آن‌ها به محيطى فقير از نظر آهن(کم تر از نيم ميلي‌گرم در هر ليتر) جابه‌جا شوند، رشد خواهند کرد، اما مگنتوزوم نمي‌سازند و در تاثير ميدان مغناطيسى قرار نمي‌گيرند. اين آزمايش نشان مى دهد که اين باکتري‌ها فعالانه در ساختن آهن‌رباهاى ميکروسکوپى خود شرکت مى کنند.

آيا هزينه کردن انرژى براى ساختن آهن‌ربا براى باکترى پيامد سودمندى نيز دارد؟ همان‌طور که گفته شد ميدان مغناطيسى زمين، در نيم‌کره‌ى شمالى به سوى شمال و پايين و در نيم‌کره‌ى جنوبى به سوى شمال و بالا گرايش دارد. با دور شدن از استوا و نزديک شدن به قطب‌ها، انحراف آن از حالت افقى افزايش مي‌يابد. به دليل انحراف ميدان مغناطيسى، در نيم‌کره‌ى شمالى باکتري‌هاى شمال‌جو، به سوى پايين و باکتري‌هاى جنوب‌جو به سمت بالا شنا مي‌کنند.

اما در نيم کره‌ى شمالى، بيش‌تر باکتري‌هاى مغناطيسى، شمال‌جو هستند. از اين رو، اين باکتري‌ها بيش‌تر در گل و لاى و رسوب‌هاى کف آبگيرها يافت مي‌شوند. اين باکتري‌هاى کف‌زى، بي‌هوازى هستند يا درمحيط‌هايى که غلظت اکسيژن اندک است، بهتر رشد مي‌کنند. گرايش به شنا کردن به سوى پايين براى باکتري‌ها نوعى برترى به مشار مي‌آيد، زيرا به آن‌ها کمک مي‌کند که از پيامدهاى زهرآگينى غلظت بالاى اکسيژن در سطح آب درامان بمانند.

بر اساس اين فرضيه، مي‌توان انتظار داشت که باکتري‌هاى مغناطيسى در نيم‌کره‌ى جنوبى بيش‌تر از نوع جنوب‌جو باشند و بنابراين به سوى پايين شنا مي‌کنند و در رسوب‌ها و دور از آب‌هاى سطحى به سر مي‌برند. بررسي‌هاى انجام شده در نيوزلند، درستى اين فرضيه را نشان داد. هم‌چنين، بررسي‌هاى انجام شده در مورد رسوب‌هاى به دست آمده از بخش‌هاى استوايى، از وجود باکتري‌هاى مغناطيسى در آن‌ها خبر داد که در راستاى افق آرايش مي‌يابند و جمعيت باکتري‌هاى جنوب‌جو و شمال‌جو در آن‌ها يکسان است. جابه‌جايى در راستاى افق، باکتري‌ها را از انحراف خطرناک به سمت محيط پراکسيژن و زهرآگين سطح آب در امان نگه مي‌دارد.

آهن‌رباى مريخى

در سال 1996 ميلادى، ديويد مکاى و همکارانش بر اساس بررسي‌هايى که انجام داده بودند، نظريه‌اى را مبنى بر وجود نوعى زندگى ابتدايى در سياره‌ى مريخ پيشنهاد کردند. از آن زمان تاکنون شواهدى مبنى بر رد يا تاييد اين نظريه‌ى عرضه شده است. به تازگى پژوهشگران در يکى از شهاب‌سنگ‌هاى مريخى، بلورهاى آهن‌ربايى پيدا کرده‌اند که به بلورهاى باکتري‌هاى مغناطيسى شباهت زيادى دارند. اين شهاب‌سنگ که حدود 5/4 ميليارد سال قدمت دراد، در قطب جنوب پيدا شده است.

دانشمندان بر اين باورند که اين شهاب‌سنگ عضوى از يک مجموعه 16 عددى از شهاب‌سنگ‌هاى مريخى است که نزديک 13 هزار سال پيش در يخ‌هاى قطب مدفون شده‌اند. بلورهاى آهن‌رباى موجود در اين شهاب‌سنگ که ALH84001 نام گرفته است، در کربنات‌هايى با قدمت 9/3 ميليارد سال پيدا شده‌اند. بررسي‌ها نشان داده است که اين کربنات‌ها در سطح مريخ تشکيل شده‌اند. بنابراين، به نظر مي‌رسد که بلورهاى آهن‌ربا نيز در سطح مريخ شکل گرفته‌اند.

اين بلورها که از شهاب سنگ استخراج شده و با ميکروسکوپ الکترونى مورد مطالعه قرار گرفته‌اند، بسيار ريزند و شکل هندسى بسيار منظم و خلوص بسيار بالايى دارند. بسيار دور به نظر مي‌رسد که چنين بلورهاى طى فرايندهاى نازيستى توليد شده باشند، زيرا آهن‌ربايى که در فرايندهاى نازيستى شکل مى گيرد، خلوص بالايى ندارد و در شکل هندسى آن نيز نظم چشم‌گيرى ديده نمي‌شود. بنابراين، به نظر مي‌رسد که اين بلورها نشانه‌هاى نوعى زندگى ابتدايى در سياره‌ى مريخ باشند.

بررسي‌هاى گسترده پژوهشگران اين احتمال را که بلورهاى آهن‌ربا ممکن است در اثر آلودگي‌هاى زمينى وارد شهاب‌سنگ‌هاى مريخى شده باشند، رد کرده است. ايمر فريدمن، که مقاله‌اى در همين زمينه در مجله‌ى PNAS به چاپ رسانده‌ است، مي‌گويد:" بلورها درون رسوب‌هاى کربناتى جاى گرفته‌اند و خود اين رسوب‌ها نيز درون گويچه‌هاى شيشه‌اى جاى دارند. از اين رو، به نظر نمي‌رسد اين باکتري‌ها توانسته باشند وارد اين صخره بشوند." هم‌چنين او در مقاله‌ى خود ادعا کرده است که دانه هاى آهن‌رباى شهاب‌سنگ مريخى همانند دانه‌هاى مرواريد در يک زنجيره آرايش يافته اند.

با اين همه، هر چند به گمان برخى شايد باکتري‌هاى مغناطيسى از جمله نخستين ساکنان سياره‌ى سرخ بوده‌اند، بيش‌تر دانشمندان بر اين باورند شواهدى که از اين شهاب‌سنگ به دست آمده‌اند، قانع کننده نيستند. به نظر مي‌رسد بگومگوهايى که پيرامون زندگى در کره‌ى مريخ وجود دارد، تنها زمانى به سرانجام خواهد رسيد که نمونه‌هايى از خود سياره، به‌ويژه از بستر رودخانه‌ها و درياچه‌هاى خشک شده‌ى آن، گردآورى شود.

کلام آخر

بلورهاى آهن‌رباى باکتري‌هاى مغناطيسى خلوص و ظرافت بالايى دارند. به کمک روش‌هاى مهندسى ژنتيک مي‌توان مقدار زيادى از اين بلورها توليد کرد. اين آهن‌رباهاى ظريف صنعت الکترونيک را متحول مى 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 مقاله‌هاى از دانشمند ايرانى، آرش کميلى، پيرامون باکتري‌هاى مغناطيسى

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).