هزار سال پیش از اختراع قطب‌نمای مغناطیسی در سده‌های میانه ، چینی‌ها و یونانیان با ویژگی‌های مغناطیسی سنگ‌های آهن‌ربا آشنا شده بودند. بخش اصلی نخستین قطب‌نما را قطعه‌‌ درازی از آهن‌ربای طبیعی تشکیل می‌داد. سپس آدمی دریافت که با مالش دادن یک سوزن آهنی به آهن‌‌ربای طبیعی ، می‌توان نوعی آهن‌ربای ساختگی بدست آورد و از آن در ساختمان قطب‌نما بهره گرفت. در سال 1600 میلادی، ویلیام گیلبرت از ویژگی‌های مغناطیسی زمین سخن به میان آورد.

پیش از آن ، رابرت ناتمن ، دریافته بود که اگر یک سوزن آهن‌ربا شده را با نخ آویزان کند، سوزن در راستای شمال و جنوب آرایش می‌یابد. البته ، وضع قرارگیری آن افقی نیست، بلکه آن انتهای سوزن که به سوی شمال قرار می‌گیرد، به سوی پایین گرایش دارد. برای مثال ، در لندن انحراف سوزن از حالت افقی نزدیک 70 درجه است. گیلبرت این انحراف را ناشی از تاثیر ویژگی‌های مغناطیسی زمین می‌دانست. او باور داشت که زمین همانند یک‌ آهن‌ربای کروی است و میدان مغناطیسی آن در استوا ، حالت افقی و در قطب‌ها ، حالت عمودی دارد. امروزه می‌دانیم این میدان بین قطب و استوا دارای زاویه انحرافی است که با افزایش عرض جغرافیایی ، افزایش می‌یابد.

بنابراین، آن انتهای سوزن آهن‌ربا شده که به سوی شمال قرار می‌گیرد، در نیم‌کره شمالی به سوی شمال و پایین ، در استوا به سوی شمال و به حالت افقی و در نیم‌کره‌ جنوبی به سوی شمال و بالا آرایش می‌یابد. در مورد آن انتهای سوزن که به سوی جنوب قرار می‌گیرد، وضعیت واژگون است. تا سال‌های اخیر ، آدمی خود را تنها جانداری می‌دانست که برای جهت‌یابی از مغناطیس بهره می‌گیرد. اما در چند سال گذشته ، ذره‌های آهن‌ربا در جاندارن گوناگونی کشف شده است.
باکتری‌ها ، نرم تنان دریایی ، زنبورهای عسل ، پروانه‌ها ، کبوترهای خانگی و دلفین‌ها ، از جاندارانی هستند که پیش از روشن شدن ویژگی‌های مغناطیس برای آدمی ، از این پدیده بهره می‌گرفته‌اند.



تصویر

کشف باکتری‌های مغناطیسی

در سال 1975 میلادی ، بلک مور در جریان مطالعه‌ میکروسکوپی باکتری‌هایی که بطور معمول در گل و لای باتلاق‌های آب شور یافت می‌شوند، مشاهده کرد که آن‌ها همواره در یک سوی میدان دید شنا می‌کنند. آیا این باکتری‌ها در پاسخ به جهت نور چنین رفتاری نشان می‌دهند؟ او برای آزمون این فرضیه ، میکروسکوپ را با جعبه‌ای پوشاند و جهت قرارگیری آن را تغییر داد. حتی آن را به اتاق دیگری جابه‌جا کرد. در همه‌ این وضعیت‌ها ، جهت حرکت باکتری‌ها تغییری نیافت. بررسی‌های بعدی نشان داد که این باکتری‌ها پیوسته به سوی شمال شنا می‌کنند. بلک مور و همکارانش با استفاده از سیم پیچ ویژه‌ای ، میدان مغناطیسی قابل تنظیمی را در پیرامون میکروسکوپ ایجاد کردند.

وقتی محور این سیم پیچ در جهت شمال – جنوب بود، باکتریها در راستای شمال – جنوب به سوی شمال شنا می‌کردند. وقتی جریان الکتریکی جاری در سیم پیچ واژگون شد، باکتری‌ها چرخشی 180 درجه انجام دادند و این بار در جهت مخالف ، یعنی به سوی جنوب، شنا کردند. هر زمان که جریان واژگون می‌شد، باکتریها چرخشی 180 درجه‌ای انجام می‌دادند و در جهت میدان بکار رفته شنا می‌کردند. این باکتری‌ها حتی پس از مرگ ، با وجود این که توان شنا کردن نداشتند، باز هم در میدان مغناطیسی آرایش ثابتی می‌گرفتند و با واژگون شدن جریان ، 180 درجه می‌چرخیدند. خلاصه ، این باکتری‌ها آهن رباهای زنده‌ای هستند که بطور طبیعی تحت تاثیر
میدان مغناطیسی زمین قرار می‌گیرند و با بکارگیری یک میدان مغناطیسی نیرومند‌تر می‌توان بر جهت حرکت آن‌ها تاثیر گذاشت.



تصویر

مطالعه زیر میکروسکوپ الکترونی

در رسوب‌های برداشت شده از باتلاق‌ها ، تالاب‌ها و گنداب‌ها ، تراکم باکتری‌های مغناطیسی بطور معمول بین 100 تا 1000 سلول در هر میلی‌لیتر است. وقتی این رسوب‌ها در آزمایشگاه درون ظرف‌های شیشه‌ای نگهداری می‌شوند، تراکم آن‌ها طی چند هفته به 100 هزار تا یک میلیون سلول در هر میلی‌لیتر می‌رسد. این جمعیت انبوه بدون دریافت مواد غذایی تا دوسال می‌ماند. در میان آن‌ها ، باکتری‌های کروی ، میله‌ای و مارپیچی با ویژگی‌های ریختی گوناگون دیده می‌شود.

این باکتری‌ها هم در رسوب‌های آب‌های شیرین و هم در رسوب‌های دریایی یافت شده‌اند. یکی از آن‌ها ، باکتری مارپیچی به نام Aquaspirillum magnetotacticum است که در آب‌های شیرین یافت می‌شود. این باکتری برخلاف بسیاری از باکتری‌های مغناطیسی ، در هر دو انتهای خود تاژک دارد و می‌تواند به جلو یا عقب شنا کند. در بررسی ساختمان درونی این باکتری با استفاده از
میکروسکوپ الکترونی ، مشخص شد که حدود 20 ذره‌ مکعبی یا هشت وجهی زنجیره‌وار در راستای محور طولی سلول آرایش یافته‌اند. این ذره‌ها در سیتوپلاسم همه‌ باکتری‌های مغناطیسی که بررسی شده‌اند، دیده می‌شود.

ذره‌های مکعبی ، که اکسید آهن‌ربای آهن هستند، بیشتر در قالب یک یا دو زنجیره آرایش یافته‌اند و شکل و اندازه یک‌دستی دارند. هر ذره را غشایی در بر می‌گیرد که همواره در نزدیکی
غشای پلاسمایی قرار دارد و ممکن است به آن متصل باشد. چنین به نظر می‌رسد که غشای در بر گیرنده‌ ذره‌ها باعث تثبیت جایگاه آن‌ها در سلول می‌شود. مجموعه ذره‌ها و غشای در بر گیرنده‌ آن‌ها را مگنتوزوم می‌نامند.



تصویر

نقش زیستی مگنتوزوم

اگر به محیط کشت A. magnetotactium آهن افزوده شود (به شکل یک ترکیب آلی محلول با غلظت یک یا دو میلی‌گرم در هر لیتر ، زیرا آهن معدنی در آب به اکسید نامحلولی دگرگونه می‌شود که جذب آهن را برای جاندار دشوار می‌سازد) باکتریها رشد می‌کنند، مگنتوزوم می‌سازند و در تاثیر میدان مغناطیسی قرار می‌گیرند. اگر آن‌ها به محیطی فقیر از نظر آهن (کمتر از نیم میلی‌گرم در هر لیتر) جابه‌جا شوند، رشد خواهند کرد، اما مگنتوزوم نمی‌سازند و در تاثیر میدان مغناطیسی قرار نمی‌گیرند. این آزمایش نشان می‌دهد که این باکتری‌ها فعالانه در ساختن آهن‌رباهای میکروسکوپی خود شرکت می‌کنند.

آیا هزینه کردن انرژی برای ساختن آهن‌ربا برای باکتری پیامد سودمندی نیز دارد؟

میدان مغناطیسی زمین ، در نیم‌کره‌ شمالی به سوی شمال و پایین و در نیم‌کره‌ جنوبی به سوی شمال و بالا گرایش دارد. با دور شدن از استوا و نزدیک شدن به قطب‌ها ، انحراف آن از حالت افقی افزایش می‌یابد. به دلیل انحراف میدان مغناطیسی ، در نیم‌کره‌ شمالی باکتری‌های شمال ‌جو ، به سوی پایین و باکتری‌های جنوب‌ جو به سمت بالا شنا می‌کنند. اما در نیم کره‌ شمالی، بیشتر باکتری‌های مغناطیسی ، شمال ‌جو هستند.

از این رو ، این باکتری‌ها بیشتر در گل و لای و رسوب‌های کف آبگیرها یافت می‌شوند. این باکتری‌های کف‌زی ، بی‌هوازی هستند یا درمحیط‌هایی که غلظت اکسیژن اندک است، بهتر رشد می‌کنند. گرایش به شنا کردن به سوی پایین برای باکتری‌ها نوعی برتری به شمار می‌آید، زیرا به آن‌ها کمک می‌کند که از پیامدهای زهرآگینی غلظت بالای اکسیژن در سطح آب در امان بمانند.

آینده بحث

بر اساس این فرضیه ، می‌توان انتظار داشت که باکتری‌های مغناطیسی در نیم‌کره‌ جنوبی بیشتر از نوع جنوب ‌جو باشند و بنابراین به سوی پایین شنا می‌کنند و در رسوب‌ها و دور از آب‌های سطحی به سر می‌برند. بررسی‌های انجام شده در نیوزلند ، درستی این فرضیه را نشان داد. همچنین ، بررسی‌های انجام شده در مورد رسوب‌های بدست آمده از بخش‌های استوایی ، از وجود باکتری‌های مغناطیسی در آن‌ها خبر داد که در راستای افق آرایش می‌یابند و جمعیت باکتری‌های جنوب‌ جو و شمال ‌جو در آن‌ها یکسان است. جابه‌جایی در راستای افق ، باکتری‌ها را از انحراف خطرناک به سمت محیط پراکسیژن و زهرآگین سطح آب در امان نگه می‌دارد.