Bakterie – mistři přes kompasy

Napsal David Thomas
Přeložil Pavel Akrman (Kreacionismus.cz)

V historii navigace hrály klíčovou roli kompasy. Nicméně tisíce let předtím, než je lidé vynalezli, byly střelky kompasu vytvořeny a používány pro navigaci mikroskopickými bakteriemi. Tyto bakterie žijí téměř v každém vodním prostředí po celém světě.

Darwin ve své proslulé knize O původu druhů prohlásil: „Kdyby se prokázala existence jakéhokoli složitého orgánu, který nemohl vzniknout mnoha postupnými, nepatrnými úpravami, moje teorie by se naprosto zhroutila.“¹ V souladu s tím známý evolucionista J.B.S. Haldane tvrdil, že evoluce nikdy nemůže vytvořit „různé mechanismy, jako je kolo a magnet, které dokud by nebyly plně funkční, byly by k ničemu.“² Od doby tohoto Haldanova prohlášení byly u mnoha druhů bakterií a mnoha dalších živých tvorů objeveny jak magnety, tak i kola (kruhové součásti strojů, které se otáčejí kolem osy).

Jak je bakterie používají k navigaci

Vypadá to, že střelky kompasu pasivně otáčí buňky směrem k severu nebo jihu stejným způsobem, jakým se střelky kompasu pasivně otáčí směrem k severu. Existují však důkazy, že některé druhy také měří změny v síle magnetického pole pro optimalizaci magnetické navigace. Díky tomu je systém složitější, než se dříve myslelo.

Proč tyto bakterie potřebují vědět, kterým směrem je sever? Ve vodním sloupci a sedimentech je vrstva, nad kterou je kyslík a pod kterou není téměř žádný kyslík. Magnetotaktické bakterie (tj. ty, které dokážou detekovat magnetické pole Země) rády žijí právě v této vrstvě, kde je nízká koncentrace kyslíku. Pokud by bakterie plavala nad touto úrovní, koncentrace kyslíku by byla příliš vysoká a musela by plavat zpět dolů. Tady vstupují na scénu střelky kompasu.

Magnetické siločáry jsou nejvíce zobrazovány tak, že cestují od zemského magnetického jižního pólu k severnímu pólu. Ale také vystupují ze země na jižní polokouli a ohýbají se zpět do země na severní polokouli (obr. 1). Bakterie, které chtějí cestovat dolů, tedy cestují směrem k magnetickému severu na severní polokouli a k ​​magnetickému jihu na jižní polokouli. Pokud se tyto bakterie pohybují na pomezí hemisfér, brzy zjistí, že směr dolů je nyní opačný než směr magnetického pole. Bakterie mohou také rychleji najít optimální podmínky růstu, protože se pohybují spíše jen vpřed a vzad podél magnetických siločar než v náhodném trojrozměrném plavání..

Takovéto kompasy jsou pouze jednou ze součástí komplexního navigačního systému těchto bakterií. Navigační systém buňky (který zahrnuje i krátkodobou paměť) zpracovává tisíce signálů ze senzorových polí, které detekují různé aspekty jejího okolí. Výstupní signály jsou pak přenášeny do motorů buňky (viz „Úžasně navržené motory“, str. 52), aby nasměrovaly buňku k optimálním růstovým podmínkám.

Konstrukce kompasu

Sestavení střelek kompasu v bakteriích není žádný drobný inženýrský výkon. Vyžaduje výjimečně vysokou úroveň kontroly a koordinace pomocí řady molekulárních strojů. Střelky jsou vytvořeny z magnetických krystalů minerálu magnetitu (oxid železa Fe₃O₄), někdy i greigitu (sulfid železa Fe₃S₄).

Vše začíná četnými „reakčními komorami“ nazývanými magnetosomy v bakteriální buňce. Každá z nich je uvnitř tvořena složenou buněčnou membránou tak, že vzniká kulovitý prvek (jako bublina). Prostřednictvím složité výrobní linky vyrábějí stroje v buňce specializované proteiny podle instrukcí DNA. Následně jsou tyto proteiny dále tříděny a vloženy do magnetosomových membrán. Ty jsou pak koordinovaně krok za krokem upravovány více stroji. Proteiny se spojují a vytvářejí větší struktury, fungující jako molekulární zařízení, která udržují podmínky uvnitř magnetosomů na přesně vyladěných parametrech. To je nezbytné pro podporu růstu krystalů. Zejména regulují hladinu železa, oxidačně-redukční potenciál a pH (acidobazickou rovnováhu).

Buňka zachycuje železo z okolního prostředí a dopravuje ho prostřednictvím složitého systému senzorů a molekulárních strojů. To zahrnuje malý elektrický motor, který pohání stroje na přepravu železa. Jakmile je železo uvnitř, musí se s ním zacházet opatrně, protože je toxické. Bakterie mají složité, vysoce regulované systémy k řízení tohoto rizika. Železo skladují ve speciálních proteinových zásobnících do potřebného množství (obr. 2). Stroje chemicky upravují železo pro skladování před jeho shromážděním do kontejnerů.

Železo je pak uvnitř magnetosomů přepraveno ke tvorbě krystalů. Růst krystalů je zjevně přísně regulovaný, protože uvnitř každého magnetosomu vyroste pouze jeden krystal. V průběhu narůstání krystalů dolaďuje jejich velikost a tvar více než deset různých typů proteinů, takže jsou vysoce jednotné.

Různé živočišné druhy vytvářejí krystaly různých velikostí a tvarů. Počet krystalů na buňku se také jeví jako přísně regulovaný. Je potřeba vyrobit adekvátní množství krystalů, aby vytvořily dostatečně silné střelky kompasu, ale netvoří se jich nadbytek, aby nedocházelo k plýtvání energie. Výsledkem této složité regulace jsou krystaly výjimečně vysoké kvality se silnými magnetickými poli a rovnoměrným rozložením velikosti.³ Díky tomu jsou „stále vyhledávanější… pro průmyslové a lékařské aplikace“.⁴ Lidé mají dosud problém s výrobou magnetických nanokrystalů tak vysoké kvality.

Nakonec sestavením krystalů vznikne jedna nebo více střelek kompasu (obr. 3). Dlouhá vlákna podobná kabelu jsou konstruována od jednoho konce článku k druhému a tvoří tak „důmyslné mechanické lešení“⁵ nazývané magnetoskelet. V koordinovaném procesu zahrnujícím ještě více strojů jsou magnetosomy připojeny k magnetoskeletu a pohybují se podél něj, aby vytvořily dlouhý řetězec krystalů. Magnetoskelet musí mít silnou konstrukci, aby zabránil ohnutí a zhroucení střelky do sebe kvůli magnetické přitažlivosti mezi krystaly. Takto dokončená střelka kompasu může nyní fungovat jako „extrémně účinný magnetický senzor“.⁴

Buňky některých bakterií mají šroubovitý tvar jako vývrtka (obr. 3). Zkonstruovat přímou střelku kompasu uvnitř těchto buněk, upevnit ji na správném místě a dokonale vyrovnat střelku s osou plavání buňky je dost zásadní technický problém. Přesto to tyto bakterie dokážou. Jak to dělají, je předmětem dalšího výzkumu.³ Pokud by střelka nebyla správně zarovnána, buňka by se zhroutila, protože by ji plavání a magnetické síly táhly mírně odlišnými směry.

Rozdělení magnetosomových řetězců během buněčného dělení

Když se bakterie množí dělením na dvě nové buňky, jejich střelky kompasu musí být rozříznuty a rovnoměrně rozděleny do dvou buněk. Střelky jsou dokonale umístěny v místě dělení, řezány s „nejvyšší možnou přesností ve středním řetězci“ a rozděleny do dvou buněk s „nečekaně vysokou přesností“.⁶ Dvě poloviční střelky jsou k sobě magneticky přitahovány, což je při jejich rozdělení další technický problém, který musí tyto bakterie překonat. Vypadá to, že tak činí pomocí pákového mechanismu, který vyžaduje koordinaci a použití ještě více strojů a konstrukčního lešení. Dvě poloviční střelky dorůstají do plné velikosti a jsou přepraveny do středu každé ze dvou nových buněk. Jakým způsobem jsou střelky transportovány a ustaveny v dokonale přesné poloze je stále neznámé, ale není pochyb o tom, že tento proces je vysoce regulovaný.

Obrázek: Nakresleno autorem na základě dat od Ruana a spol.

Závěr

Bakterie nejsou v žádném případě ani zdaleka „primitivní“. Mohou vyrábět střelky kompasu výjimečně vysoké kvality a používat je k navigaci podél magnetických siločar se složitými elektromotory. O těchto neuvěřitelných navigačních zařízeních je stále co se učit. Jak řekl jistý výzkumník, „[bakteriální magnetická navigace] stále přináší neočekávané a sofistikované prvky, které teprve čekají na své odhalení.⁷ Takové objevy budou nepochybně i nadále zjevovat Boží tvůrčí inteligenci a bude ještě obtížnější je vysvětlit prostřednictvím evoluce.