Простая физика движения водорослей к свету

Новое исследование Индийского института науки (IISc) описывает, как некоторые водоросли коллективно чувствуют и реагируют на свет — явление, называемое фототаксисом.

Десятилетиями одноклеточная зелёная водоросль Chlamydomonas reinhardtii помогала учёным понимать фундаментальные биологические процессы, производить биотопливо и лекарства и даже исследовать мозговые расстройства. Этот пресноводный протист был особенно полезной моделью для изучения того, как организмы чувствуют и движутся к свету. При плавании её тело вращается вокруг своей оси, в то время как органелла, называемая глазным пятном, сканирует воду на предмет света, как антенна радара, и побуждает клетку двигаться к источнику.

Когда большое количество клеток C. reinhardtii находится в жидкой среде — например, внутри биотопливного реактора — как они коллективно реагируют на свет и какие факторы влияют на их эффективность? Выше критической концентрации клеток доля клеток, движущихся к свету — мера эффективности фототаксиса — начинает устойчиво расти. Исследование показало, что это происходит потому, что клетки начинают плавать медленнее, что позволяет им точнее чувствовать свет.

«Если они движутся медленно, они также медленнее вращаются и сканируют. Следовательно, у них больше шансов обнаружить фотоны от источника света», — говорит Прирна Шарма, доцент кафедры физики и старший автор исследования, опубликованного в Biophysical Journal.

Используя высокоскоростные камеры, подключённые к микроскопу, Шарма и её команда в сотрудничестве с Апарной Баскаран, доцентом Университета Брандейса, отслеживали движение отдельных клеток C. reinhardtii, взвешенных в жидкостной камере при различной интенсивности света. Когда клеток было очень мало, доля особей, движущихся к свету, оказалась низкой. Авторы предполагают, что одно из возможных объяснений — клетки мешают друг другу, что уменьшает количество света, достигающего каждую клетку.

Однако за определённым порогом (около миллиона клеток на кубический см) доля клеток, движущихся к свету, устойчиво росла с увеличением концентрации клеток. Исследователи обнаружили, что этот рост соответствовал устойчивому снижению скорости плавания клеток, указывая на то, что они замедлялись по мере увеличения их количества. Они также выяснили, что замедление движения клеток, например, за счёт повышения вязкости среды, также помогало повысить эффективность их фототаксиса.

«Фототаксис важен даже в искусственных системах, таких как микропропеллеры или микророботы», — говорит Суджит Кумар Чоудхари, первый автор и аспирант кафедры физики IISc. Например, исследователи разработали рои роботов, которые могут, среди прочего, чувствовать и двигаться к свету. «Некоторые из этих физических принципов могут быть применены к таким системам», — говорит он.