Znajdź zawartość

Czy topologia mikroobiektów może wpływać na ich ruch w środowisku? Eksperymenty i symulacje numeryczne naukowców z Polski i Szwajcarii opublikowane w czasopiśmie Physical Review Letters pokazują, że sposób opadania łańcuszków w lepkim płynie zależy od tego, jakiego rodzaju węzeł został na nich zapleciony. Opadając, łańcuszki tworzą płaskie toroidalne struktury złożone z kilku oplecionych pętli wirujących względem siebie. Motywacją do prezentowanych badań jest ich potencjalne znaczenie dla zrozumienia dynamiki zawęźlonych nici DNA i poznania związku pomiędzy topologią biomolekuł a ich kształtem i szybkością opadania pod wpływem grawitacji lub w wirówce. W 1867 roku dwóch szkockich fizyków – Peter Tait i William Thomson (lord Kelvin) – badało ruch kółek z dymu wytwarzanych przez specjalnie skonstruowaną w tym celu maszynę. Uderzyła ich stabilność ruchu kółek – zaraz po powstaniu przybierały one spłaszczoną, toroidalną formę i przesuwały się bez dalszej zmiany kształtu. Struktury te to w istocie swojej wiry pierścieniowe, w których oś wiru tworzy zamkniętą pętlę. Kelvin pokazał, że w pozbawionej oporów cieczy taki ruch wirowy utrzymywałby się dowolnie długo. W szczególności – jak przekonywał – gdybyśmy oś wiru zawiązali w węzeł, ten nigdy się sam nie rozwiąże. Może więc – myślał Kelvin – takie właśnie zasupłane wiry (tyle że w wypełniającym wszechświat eterze) są atomami, które tworzą pierwiastki? Różne sposoby zasupłania węzłów wirowych odpowiadałyby wtedy różnym atomom. I chociaż koncepcja ta nie wytrzymała próby czasu, to jednak rozważania Kelvina i Taita stanowiły początki całej gałęzi współczesnej matematyki – teorii węzłów, stosowanej do modelowania obserwowanych w przyrodzie struktur topologicznych. Również i w fizyce węzły, sploty i inne układy o nietrywialnej topologii pojawiają się coraz częściej – m. in. w magnetohydrodynamice opisującej m.in. przepływy plazmy w okolicy Słońca, w schematach korekcji błędów w komputerach kwantowych, w kwantowej teorii pola czy w opisie ciekłych kryształów. Węzły spotykamy też w układach biologicznych, przede wszystkim w nici DNA, która jest tak długa, że często plącze się sama, jak kabel od słuchawek w kieszeni, i dopiero specjalne enzymy – topoizomerazy – potrafią ją rozplątać. Jedną z metod określenia rodzaju węzła, w jaki zasupłana jest nić DNA, jest poddanie jej działaniu pola elektrycznego lub siły odśrodkowej w wirówce. Okazuje się, że pod działaniem zewnętrznej siły pętle z DNA przesuwają się z różnymi prędkościami w zależności od ich topologii. Skąd bierze się ten nieoczekiwany związek? Badań tego problemu podjął się Piotr Szymczak (z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego) we współpracy z Magdaleną Gruziel i Marią Ekiel-Jeżewską (z Instytutu Podstawowych Problemów Techniki PAN) oraz Giovannim Dietlerem, Andrzejem Stasiakiem i Krishnanem Thyagarajanem z Lozanny. Aby lepiej zrozumieć ten nieoczekiwany związek pomiędzy topologią a dynamiką DNA zaprojektowali oni eksperyment w skali makro, w którym rolę zawęźlonych nici DNA odgrywały łańcuszki ze stalowych kulek. Jako płynu użyto bardzo lepkiego oleju silikonowego, aby charakter przepływu wokół kilkucentymetrowego łańcuszka był analogiczny do przepływu wokół mikroskopowej pętli DNA w wodzie. Zachowanie łańcuszków wrzuconych do lepkiej cieczy okazało się zaskakujące. Ich ruch bardzo przypominał zachowanie kółek z dymu Taita i Kelvina. Łańcuszki rozpłaszczały się, tworząc cienki torus w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku grawitacji. Torus ten złożony był z jednej lub więcej splecionych ze sobą pętli, nieustannie wirujących wokół siebie. Liczba pętli oraz sposób ich zaplotu były zależne od rodzaju węzła. Dodatkowo, cały torus obracał się dookoła swojej osi, w kierunku określonym przez skrętność węzła – struktury prawoskrętne obracały się w prawo, a ich lustrzane odbicia – w lewo. Aby wyjaśnić to zaskakujące zachowanie opadających pętli, autorzy pracy z Physical Review Letters stworzyli model teoretyczny elastycznych włókien poruszających się w lepkiej cieczy, a następnie przeprowadzili symulacje numeryczne ich ruchu, które w pełni odtworzyły dynamikę obserwowaną w eksperymencie i powinny także stosować się do opisu dynamiki hydrodynamicznie podobnych obiektów w mikroskali. Modelowanie matematyczne pozwoliło na ustalenie, że skoordynowany ruch pętli powstaje dzięki tak zwanym oddziaływaniom hydrodynamicznym pomiędzy różnymi częściami łańcucha. Każdy element łańcuszka, przesuwając się, wywołuje przepływ otaczającego płynu, który działa na wszystkie inne elementy łańcucha. Właśnie te oddziaływania przenoszone przez przepływ sprzęgają ze sobą ruch pętli i sprawiają, że zaczynają one wirować względem siebie. Charakterystyki ruchu wirowego łańcuszków zależą od ich długości oraz sztywności. Co ciekawe, można też pokazać, że wiry Kelvina i Taita, jeśli zapleść je w węzeł, wykonywałyby ruch zupełnie analogiczny do obserwowanego w eksperymentach z łańcuszkami. Opadające pętle byłby więc wizualizacją kelvinowskich atomów, gdyby te tylko istniały... Najistotniejszy wynik tej pracy – pokazanie, że giętkie pętle z węzłami o skomplikowanej topologii opadając w cieczy mogą tworzyć uporządkowane, niemal płaskie toroidalne struktury – jest ważny dla właściwej interpretacji eksperymentów sedymentacji DNA i innych biomolekuł, o których zwykle dotychczas zakładało się, że pod wpływem siły grawitacji opadają w postaci nieuporządkowanego kulistego kłębka. « powrót do artykułu

Wreszcie wiadomo, czemu kule gałęzatki kulistej (Aegagropila linnaei) w dzień unoszą się przy powierzchni wody, a w nocy toną. Glon występuje w jeziorach półkuli północnej, szczególnie w Japonii i na Islandii. W Kraju Kwitnącej Wiśni pełni tak ważną rolę kulturową, że jest gatunkiem chronionym. A. linnaei cieszy się dużą popularnością także wśród właścicieli akwariów. Niestety, przyczyniło się to do znaczącego spadku ich liczebności. Ostatnio naukowcy z Uniwersytetu Bristolskiego wykazali, że za unoszenie się i zatapianie kul glonu odpowiada fotosynteza i rytmy okołodobowe. Gdy gałęzatki fotosyntetyzują, pokrywają je drobne bąble tlenu, co wg przewidywań naukowców, miało stanowić przyczynę ich pływalności. By przetestować swoją hipotezę, zastosowali oni związek hamujący fotosyntezę. Bąble się nie tworzyły i kolonie nie unosiły się w wodzie. Później biolodzy zaczęli się zastanawiać, czy fotosyntetyzująca powierzchnia kuli dysponuje zegarem biologicznym. Kule trzymano więc przez parę dni w przyciemnionym pomieszczeniu. Okazało się, że jeśli potem kule wystawiono na oddziaływanie jaskrawego światła w czasie, który odpowiadał początkowi dnia, zaczynały się unosić o wiele szybciej niż wtedy, gdy oświetlano je w połowie dnia. Wg autorów publikacji z Current Biology, oznacza to, że pływalność glonów jest kontrolowana przez zegar biologiczny. Niestety, gałęzatki są zagrożone i występują tylko w połowie jezior, w których kiedyś można je było spotkać. To może być spowodowane zmianami w penetracji światła, wywołanymi przez zanieczyszczenie. Mamy nadzieję, że gdy będziemy rozumieli reakcje na wskazówki środowiskowe oraz sposób kontrolowania unoszenia się na wodzie przez zegar biologiczny, pomożemy w ochronie gałęzatek i ich reintrodukcji - podkreśla główna autorka studium, doktorantka Dora Cano-Ramirez. W 1897 r. botanik Takuya Kawakami z College'u Rolniczego Sapporo (dziś jest to Uniwersytet Hokkaido) wypatrzył skupiska glonów w jeziorze Akan i ochrzcił je "marimo" (毬藻). Z kolei Islandczycy nazywają gałęzatkę "Kúluskítur". A. linnaei to łacińska nazwa, przypisana w 1753 r. przez Linneusza próbkom zebranym w jeziorze Dannemora w Szwecji. W 1921 r. marimo z jeziora Akan zostały uznane za pomnik przyrody, a w 1952 r. za specjalny skarb narodowy. Zapoczątkowało to wysiłki na rzecz ochrony tego tajemniczego (ze względu na słabo poznaną fizjologię i ekologię) gatunku. Jezioro Akan jest unikatowe z kilku względów. Specjaliści wymieniają m.in. kształt jego basenu, płytkie zatoczki i skład wody. Dzięki temu marimo tak dobrze tu rosną. Niektóre kolonie mają średnicę powyżej 30 cm. « powrót do artykułu