Вчені вперше виявили, як синьо-зелені водорості — видимі як слизький зелений слиз у стоячій воді, руслах річок і морських берегах — сплітаються у великі павутинні структури. Команда з Університетів Ноттінгема Трента та Університету Лафборо виявила фізичний механізм, що лежить в основі геометричних візерунків, утворених ціанобактеріями, однією з найдавніших і найпоширеніших форм життя на Землі, яка зіграла ключову роль в еволюції нашої планети.
Дослідження, для яких Ph.D. студенти Міксон Фалувекі та Ян Камман є співавторами, опубліковано в журналі Physical Review Letters.
Стародавні ціанобактерії були першою формою життя, яка розвинула фотосинтез і відповідає за введення кисню в навколишнє середовище Землі, тим самим заклавши основу для появи складних форм життя, з якими ми знайомі сьогодні.
Сучасні ціанобактерії продовжують відігравати ключову роль у підтримці складу сучасної атмосфери та океанів. Щоб допомогти йому вижити, багато видів також перетворюються на довгі ланцюги клітин, які повзають по поверхнях і сплітаються разом у великі мережі тісно з’єднаних ниток протягом годин або днів.
Однак досі походження цих сітчастих або павутиноподібних візерунків спантеличило вчених.
Використовуючи передові методи мікроскопії, моделювання та теоретичні моделі, дослідники виявили, як взаємодія між ниткоподібними нитками змушує їх об’єднуватися разом і будувати структури. Вони виявили, що коли ціанобактерії присутні у досить високій щільності, вони починають організовуватися у свій сітчастий візерунок у результаті лише кількох простих правил.
Коли бактерії рухаються, вони стикаються одна з одною. У більшості випадків нитки проходять одна над одною або під нею, але інколи одна з них відхиляється та повертається, щоб рухатися поруч з іншою. Ці дві нитки деякий час слідують одна за одною, перш ніж одна відокремиться.
Ці взаємодії призводять до утворення пучків вирівняних ниток, які організовують щільніші колонії в розгалужені мережі. Дослідники розробили модель, яка успішно передбачає типову щільність і масштаб виникаючих візерунків, включаючи рух і коливання форми ниток. Команда каже, що отримані результати прокладають шлях до майбутніх досліджень того, як різні типи бактерій самоорганізуються, щоб утворити структури.
Це могло б покращити наше розуміння того, як утворюються бактеріальні біоплівки — сукупності бактерій, які прикріпилися до поверхні та одна до одної. Ці знання є критично важливими, враховуючи їх центральну роль у різних процесах, таких як інфікування людей, погіршення навколишнього середовища та біоінженерія.
Доктор Марко Мацца, доцент кафедри прикладної математики в Університеті Лафборо, сказав: «Ми продемонстрували, що моделі формування колоній ціанобактерій можна розуміти як сукупний результат незалежно рухомих клітин із простими взаємодіями.
«При ретельному застосуванні сучасні інструменти нерівноважної статистичної механіки можуть забезпечити потужні прогнози навіть у живих системах».
Доктор Лукас Герінг, професор фізики в Школі науки та технологій Університету Ноттінгема Трент, сказав: «Ціанобактерії належать до найпоширеніших і найдавніших організмів на Землі, вони створили фотосинтез. Вони також, мабуть, найперші організми, які експериментували з багатоклітинністю.
«Цей надзвичайно важливий, але скромний мікроорганізм бере участь у процесах глобального значення, таких як баланс кисню та азоту. Незважаючи на його важливість для розвитку складного життя, досі не виявлено механізму, який би пояснив їхню колективну поведінку.” Джерело