Бактерии крутят шестеренки
Исследователи принадлежащей министерству энергетики США Национальной лаборатории Аргонн (штат Иллинойс) и Северо-Западного университета (г. Эванстон, штат Иллинойс), работающие под руководством Игоря Аронсона (Igor Aronson), продемонстрировали, что хаотично плавающие в среде бактерии могут приводить в движение взвешенные в среде микроскопические шестеренки.
Аронсон утверждает, что возможность направлять и использовать энергию движения бактерий очень важна для разработки гибридных движимых микроорганизмами биомеханических систем. Он также отмечает, что микроскопический размер шестеренок здесь – понятие относительное: они в миллионы раз крупнее самих бактерий.
При проведении экспериментов ученые помещали микрошестерни со скошенными зубцами, размер которых составлял 380 микрон, в питательную среду, содержащую популярный объект исследований – повсеместно распространенные бактерии Bacillus subtilis. Движение бактерий в среде хаотично, однако они периодически сталкиваются с зубцами шестерен и запускают их движение в определенном направлении.
На рисунке – схема опыта, варианты формы шестеренок
и схематичное изображение направления и скорости вращения
(один-два оборота в минуту, но для бактерий и это неплохо).
Чтобы сдвинуть с места одну микрошестерню, требуется суммарное усилие нескольких сотен бактерий. Если в среду поместить две шестерни, зубцы которых соединены как в часовом механизме, бактерии начинают вращать их в противоположных направлениях, причем такое синхронное движение может поддерживаться в течение длительных промежутков времени. Вот как это выглядит на микросъемке (ускоренной в 5 раз):
Еще несколько видеороликов можно посмотреть в дополнительных материалах к статье «Swimming bacteria power microscopic gears», опубликованной 18 декабря в предварительной on-line версии Proceedings of the National Academy of Sciences.
Скорость вращения шестерен можно менять путем изменения концентрации кислорода в среде. Кислород нужен бактериям для получения энергии за счет окисления питательных веществ, поэтому снижение его концентрации замедляет вращение шестерен. Устранение кислорода полностью останавливает вращение, которое восстанавливается при возобновлении подачи кислорода в систему.
Пока всё это выглядит научными забавами, но, по словам Аронсона, результаты работы демонстрируют, что микроскопически плавающие агенты, такие как бактерии или созданные человеком нанороботы, в комбинации с твердыми материалами, могут составлять «умный материал», способный динамически изменять свою структуру, восстанавливать повреждения или приводить в движение микромеханизмы.
Евгения Рябцева
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru по материалам Argonne National Laboratory: Argonne scientists use bacteria to power simple machines.
24.12.2009