Энергия бактерий

Развитию человеческой цивилизации на разных этапах истории помогали массивные, могучие тяговые животные – быки, лошади, в некоторых странах даже буйволы и слоны. И вот теперь, в XXI веке, этот список пополнит новый миниатюрный представитель живого мира – бактерия Bacillus subtilis.

Команде ученых из Аргонской национальной лаборатории удалось заставить несколько сотен этих одноклеточных организмов вращать крохотные шестеренки, каждая из которых, тем не менее, превышает вес самих бактерий в миллион раз. Целью этого эксперимента стала дальнейшая разработка новых материалов и устройств, призванных более эффективно накапливать энергию.

«Биологические системы необычайно эффективны, – заявляет Игорь Аронсон, физик Аргонской национальной лаборатории. – Биология способна многому научить нас, и мы можем использовать ее».

Аронсон работает с материалами, образованными в результате так называемой самосборки – процесса, в результате которого химическая или биологическая система создает упорядоченные структуры из элементов, изначально пребывавших в хаосе. В результате такого метода получают вещества с новыми свойствами – такими, как способность накапливать фотоны в солнечной панели или сохранять электроны в батарее.

Около 5 лет назад Аронсон решил проверить, подчиняются ли микроорганизмы принципу самосборки, способны ли они образовать единую систему. В качестве объекта изучения он выбрал Bacillus subtilis, весьма распространенную бактерию, живущую в почве и дышащую кислородом. В результате долгих исследований Аронсон, его коллега Андрей Соколов и целая команда специалистов нашли способ заставить микроскопические шестеренки вращаться при помещении в питательное вещество вместе с бактериями.

Находясь в группах, бактерии плавают в 5 раз быстрее, чем поодиночке. Энергия, произведенная их совместным движением, достаточна для движения шестеренок.

«Своим коллективным поведением они напоминают стаю птиц или косяк рыбы, – пояснил Аронсон. – Однако такие факторы, как отсутствие глаз и микроскопический размер, становятся решающими и заставляют строить иную схему действий».

Для успеха эксперимента важно было точно рассчитать количество бактерий. Если их выпускали в раствор слишком мало, у них не хватало сил для вращения шестеренок. Если же бактерий было слишком много, они образовывали пленку на поверхности воды. Шестеренки были спроектированы таким образом, что независимо от направления движения бактерий они вращались только в одну сторону. Сначала в раствор опускали одну шестеренку, потом – вторую. В конечном итоге миниатюрные детали сформировали единую машину, приводимую в действие бактериями.

Более того, Аронсон мог даже управлять этой машиной. Если он перекрывал доступ кислорода в раствор, бактерии останавливались за доли секунды. При возобновлении потока кислорода вновь начиналось движение.

Естественно, если принять во внимание размер микроорганизмов, можно понять, насколько ничтожно количество вырабатываемой ими энергии. Но конечной целью Аронсона является не «дрессировка» бактерий, а развитие их потенциальной возможности самостоятельно образовывать механизм, который они приводят в движение.  То есть, с помощью контролируемого движения бактерий будут особым образом смешиваться химические вещества и образовываться новые материалы через расщепление на составляющие элементы исходных, уже известных структур.