Wissenschaftler haben zum ersten Mal herausgefunden, wie sich Blaualgen – sichtbar als glitschiger grüner Schleim in stehenden Gewässern, Flussbetten und Meeresküsten – zu großen netzartigen Strukturen verweben.
Ein Team der Nottingham Trent University und der Loughborough University hat den physikalischen Mechanismus hinter den geometrischen Mustern von Cyanobakterien entschlüsselt, einer der ältesten und am häufigsten vorkommenden Lebensformen auf der Erde, die eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung unseres Planeten gespielt hat.
Die Forschung, für die Ph.D. Die Studenten Mixon Faluweki und Jan Cammann sind Co-Hauptautoren, wird in der Zeitschrift veröffentlicht Briefe zur körperlichen Untersuchung.
Die antiken Cyanobakterien waren die ersten Lebensformen, die die Photosynthese entwickelten. Sie sind für die Einspeisung von Sauerstoff in die Erdumgebung verantwortlich und legten damit den Grundstein für die Entstehung der komplexen Lebensformen, die wir heute kennen.
Die heutigen Cyanobakterien spielen weiterhin eine Schlüsselrolle bei der Erhaltung der Zusammensetzung der heutigen Atmosphäre und Ozeane. Um ihr Überleben zu erleichtern, wachsen viele Arten auch zu langen Zellketten heran, die über Oberflächen kriechen und sich über Stunden oder Tage zu großen Netzwerken eng gebündelter Filamente verweben.
Allerdings gab der Ursprung dieser netzartigen oder netzartigen Muster den Wissenschaftlern bislang Rätsel auf.
Mithilfe fortschrittlicher Mikroskopietechniken, Simulationen und theoretischer Modelle haben die Forscher aufgedeckt, wie Wechselwirkungen zwischen den fadenförmigen Filamenten dazu führen, dass sie sich bündeln und Strukturen bilden.
Sie fanden heraus, dass Cyanobakterien, wenn sie in einer ausreichend hohen Dichte vorhanden sind, aufgrund nur weniger einfacher Regeln beginnen, sich in ihrem Netzmuster zu organisieren.
Während sich die Bakterien bewegen, stoßen sie aneinander. In den meisten Fällen verlaufen die Filamente über- oder untereinander, aber gelegentlich lenkt einer ab und dreht sich, um neben dem anderen zu laufen. Diese beiden Filamente folgen einander eine Zeit lang, bevor sich eines aufspaltet.
Diese Wechselwirkungen führen zur Bildung von Bündeln ausgerichteter Filamente, die dichtere Kolonien zu ausgedehnten Netzwerken organisieren.
Die Forscher haben ein Modell entwickelt, das die typische Dichte und Größe der entstehenden Muster, einschließlich der Bewegung und Formschwankungen der Filamente, erfolgreich vorhersagt.
Das Team sagt, dass die Ergebnisse den Weg für inspirierende zukünftige Untersuchungen darüber ebnen, wie sich verschiedene Arten von Bakterien selbst organisieren, um Strukturen zu bilden.
Dies könnte unser Verständnis darüber verbessern, wie bakterielle Biofilme – Ansammlungen von Bakterien, die sich an einer Oberfläche und aneinander festsetzen – entstehen. Dieses Wissen ist angesichts ihrer zentralen Rolle bei verschiedenen Prozessen wie menschlichen Infektionen, Umweltzerstörung und Biotechnik von entscheidender Bedeutung.
Dr. Marco Mazza, Assistenzprofessor für Angewandte Mathematik an der Loughborough University, sagte: „Wir haben gezeigt, dass die entstehenden Muster von Cyanobakterienkolonien als kollektives Ergebnis unabhängig voneinander bewegter Zellen mit einfachen Interaktionen verstanden werden können.“
„Bei sorgfältiger Anwendung können moderne Werkzeuge der statistischen Nichtgleichgewichtsmechanik selbst in lebenden Systemen aussagekräftige Vorhersagen liefern.“
Dr. Lucas Goehring, Professor für Physik an der School of Science and Technology der Nottingham Trent University, sagte: „Cyanobakterien gehören zu den am häufigsten vorkommenden und ältesten Organismen der Erde und haben die Photosynthese entwickelt. Sie sind möglicherweise auch die ersten Organismen, die mit Mehrzelligkeit experimentierten.“
„Dieser äußerst wichtige, aber unscheinbare Mikroorganismus ist an Prozessen von globaler Bedeutung beteiligt, etwa am Gleichgewicht von Sauerstoff und Stickstoff. Trotz seiner Bedeutung für die Entwicklung komplexen Lebens wurde jedoch bisher kein Mechanismus identifiziert, der ihr kollektives Verhalten erklärt.“ .“
Mehr Informationen:
Briefe zur körperlichen Untersuchung (2023). link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.131.158303