תצלום מיקרוסקופ אלקטרונים, צבוע מלאכותית, של חיידק מגנטוטקטי מהקרקע. לחיידק שני שוטונים - אחד בכל קצה, המאפשרים לו לשחות קדימה או אחורה. שרשרת של 36 מגנטוזומים צבועה בכתום.
השפעת השדה המגנטי של כדור הארץ על יצורים שונים בטבע ניכרת בכל רחבי הביוספרה: יונים, דולפינים, רכיכות ימיות, דבורים, פרפרים, צמח התירס ועוד. יצורים אלו משתמשים בשדה להתמצאות במרחב ולבקרת כיוון צמיחתם או תנועתם. השפעה זו לא פסחה גם על עולם החיידקים ובשנת 1975 הבחין הסטודנט ריצ'רד בלקמור [1] בחיידקים שהפגינו תנועה המושפעת משדות מגנטיים (סברתו הראשונה הייתה שהתנהגותם פוטוטקטית והם נעים לכיוון אור הבא מהחלון הצפון-מזרחי במעבדתו). עקב תכונתם זו כינה החוקר את תנועתם תנועה מגנטוטקטית. ניסויים שונים שערך הראו שתנועתם המגנטוטקטית נובעת מתנועה פעילה של החיידק בעזרת המשוט שלו, בעוד שכיוון התנועה נקבע בצורה פסיבית עפ"י מומנט מגנטי המקבע את גוף החיידק בכיוון קווי השדה המגנטי. השערת החוקר הייתה כי מומנט מגנטי זה נוצר על-ידי מבנים מיקרוסקופיים בהם צפה בעזרת מיקרוסקופ אלקטרונים - בועיות ציטופלסמיות העשירות בברזל המסודרות בקו ישר לאורך גוף החיידק.
מחקרים שנעשו לאחר מכן על-ידי בלקמור ואחרים [2] אימתו רבות מהשערותיו של בלקמור. החיידקים מסנתזים גבישים קטנים של מגנטיט (Fe3O4) ואוגרים אותם בבועיות ציטופלסמיות. הבועיות קרויות מגנטוזומים והן מסודרות כשרשרת קווית (של כעשרים בועיות) במקביל לציר האורך של החיידק. בחיידקים כדוריים הבועיות מקובצות בצבר בפינה מסוימת של התא. בניסויים בהם גודלו חיידקים בסביבה דלת ברזל ולא גידלו מגנטוזומים הוכח שאברונים אלו הכרחיים לקיום התנועה המגנטוטקטית. הכיוון המגנטי של המגנטוזומים הבודדים מסתדר במקביל כך שכולם תורמים ליצירת מומנט מגנטי משותף. הכיוון של החיידק במים נקבע על-פי מומנט הפיתול הנגרם על-ידי המומנט המגנטי של שרשרת המגנטוזומים והכוחות האקראיים הנובעים מהתנועה הבראונית של מולקולות המים.
מהי תכליתה של התנועה המגנטוטקטית? החיידקים המגנטוטקטיים הנם אל-אווירניים מוחלטים או מיקרוארופיליים (מסוגלים לסבול חמצן רק בריכוזים נמוכים). בכל אזור פרט לקו המשווה ובסביבותיו יש לשדה המגנטי של כדור הארץ רכיב אנכי לפני הים. הכיווניות שמקנה להם מצפנם הפנימי מאפשר לחיידקים תנועה בכיוון אנכי זה כאשר מטרתם היא להתרחק מפני הים בהם ריכוז החמצן גבוה ולהתקרב למשקעים בקרקעית הים. בשני חצאי כדור-הארץ הרכיב האנכי של הצפון המגנטי שונה ובהתאם נמצא כי בחצי הצפוני החיידקים נעים בכיוון צפון (שרכיבו האנכי כלפי מטה) ובחצי הדרומי כיוון שרשרת המגנטוזומים הפוכה כך שהחיידקים נעים בכיוון דרום (שרכיבו האנכי כלפי מטה). הקוטביות של החיידקים נשמרת בין הדורות, כאשר בחלוקת התא מתחלקת שרשרת המגנטוזומים. הבועיות המשלימות את השרשרת בתאי הבת מתמגנטות לפי הקוטביות של הבועיות הקיימות. כאשר לעיתים נדירות אחד מתאי הבת איננו מקבל חלק משרשרת המגנטוזומים והוא נדרש לסנתז את כולה בעצמו, נקבעת הקוטביות באופן אקראי. תופעה זו יחד עם הסלקציה החזקה המופעלת כלפי חיידקים הנעים עם השדה המגנטי כלפי מעלה אל ריכוזי החמצן הגבוהים, מסבירה את התבססותן של אוכלוסיות של חיידקים מאותו סוג (לדוגמה Aquaspirillum magnetotacticum), השונים אך ורק בכיוון שרשרת המגנטוזומים שלהם, בשני חצאי הכדור.
כבר בראשית המחקר (שנות השמונים) התגלו סוגים רבים של חיידקים במשקעים ושפוכת, ולהם צורות מורפולוגיות שונות: נקדים (Magnetic coccus MC1, CS103), מתגים (Magnetic vibrio MV1) וסלילניים (Magnetospirillum magnetotacticum, Magnetospirillum gryphiswaldense).
עשור מאוחר יותר נתגלתה [3] חלוקה משמעותית יותר: בנוסף על החיידקים המכילים גבישי תחמוצת ברזל במגנטוזומים, נתגלו חיידקים מגנטוטקטיים (RS-1) המכילים תרכובות גופרית של ברזל (Fe3S4) במגנטוזומים שלהם. פרטי תהליך הביומינרליזציה (יצירת הגבישים המגנטיים מהמינרלים בסביבה) ויצירת המגנטוזומים, שונים לגמרי בשני הסוגים. אנליזה פילוגנטית של החיידקים, המתבססת על רצף הבסיסים ביחידה הקטנה (16S) של ה-RNA הריבוזומלי, מצביעה על התפתחות אבולוציונית עצמאית ונפרדת של שתי קבוצות החיידקים הללו. האנליזה מראה שכל החיידקים המגנטיים המוכרים מסוג תחמוצת הברזל נמנים עם תת-קבוצה a של הפרוטאובקטריה (Proteobacteria) בעוד החיידקים המגנטיים מסוג גופרות הברזל שייכים לקבוצת מחזרי הגופרית בתת הקבוצה d של הפרוטאובקטריה. שתי קבוצות החיידקים התכנסו לפתרון דומה של מנגנון תנועה מגנטוטקטי - בנית מומנט דיפול מגנטי קבוע המשנה את כיוון התא בהתאם לשדה כדור הארץ מהמינרלים המגנטיים הזמינים בסביבה.
מקורות מדעיים:
- R. Blakemore. 1975. Magnetotactic bacteria. Science. 190: 377-379.
מאמר בו מפרט בלקמור מספר ניסויים ותצפיות שערך ואשר על פיהן הוא משער את המנגנון והתכלית שבתנועה המגנטוטקטית של החיידקים, אותם גילה. - R. P. Blakemore, R. B. Frankel. 1981. Magnetic navigation in bacteria. Scientific American. 245,6: 58-65.
מאמר נרחב בו מציגים שני החוקרים את מחקרם על החיידקים המגנטוטקטיים. המחקר מקיף את מנגנוני התנועה המגנטוטקטית ומטרתה וכן ניתנת סקירה היסטורית קצרה על הגילוי והשימוש במגנטים ומצפנים. - E. F. DeLong, R. B. Frankel, D. A. Bazylinski. 1993. Multiple evolutionary origins of magnetotaxis in bacteria. Science. 259: 803-806.
מאמר בו מפורטים דרכי החקירה ומסקנתם המתבקשת של החוקרים לגבי מוצאם הנפרד של שני סוגי חיידקים מגנטוטקטיים, המשתמשים במינרלים שונים לתכולת המגנטוזום
אתרים באינטרנט העוסקים בנושא:
- החיידקים המוזרים - The curious microbes - אתר המכיל סקירה על מספר מיני חיידקים ייחודיים ובכללם החיידקים המגנטיים. כל חיידק זוכה לתיאור קצר בשפה פשוטה ובהירה.
- Biomineralization of magnetic minerals - אתר המכיל פירוט נרחב על תופעת הביומינרליזציה אשר החיידקים המגנטוטקטיים הנם חלק ממבצעיה. החומר מחולק לנושאים ורשימת מקורות נרחבת ביותר מופיעה בסוף.
- Sustainable energy research group - אתר המכיל מספר תמונות ופסקאות על החיידקים המגנטוטקטיים ותנועתם.
- Magnetic sensors in living systems - אתר המכיל הסבר קצר על החיידק המגנטוטקטי וכן חישובים פשוטים להערכה כמותית של תכונותיו הפיסיקליות.
- האתר של Richard B. Frankel - אתר המכיל הפניות למאמרים שלו עצמו ושל אחרים בנושא.
- האתר של Denis A. Bazylinski - אתר המכיל הפניות למאמרים שלו בנושא.
