Ученые впервые обнаружили, как сине-зеленые водоросли, видимые как скользкая зеленая слизь в стоячей воде, руслах рек и морских берегах, сплетаются в большие паутинные структуры.

Команда из Университета Ноттингем Трент и Университета Лафборо раскрыла физический механизм, лежащий в основе геометрических узоров, образованных цианобактериями , одной из старейших и самых распространенных форм жизни на Земле, которая сыграла ключевую роль в эволюции нашей планеты.

Исследование, за которое к.т.н. Студенты Миксон Фалувеки и Ян Камманн являются соведущими авторами, опубликовано в журнале Physical Review Letters.

Древние цианобактерии были первой формой жизни, которая развила фотосинтез и ответственна за впрыск кислорода в окружающую среду Земли, тем самым заложив основу для возникновения сложных форм жизни, с которыми мы знакомы сегодня.

Сегодняшние цианобактерии продолжают играть ключевую роль в поддержании состава современной атмосферы и океанов. Чтобы помочь ему выжить, многие виды также вырастают в длинные цепочки клеток, которые ползают по поверхности и в течение часов или дней сплетаются в большие сети тесно связанных нитей.

Однако до сих пор происхождение этих сетчатых или паутинных узоров озадачивало ученых.

Используя передовые методы микроскопии, моделирование и теоретические модели , исследователи выявили, как взаимодействия между нитевидными нитями заставляют их соединяться вместе и образовывать структуры.

Они обнаружили, что когда цианобактерии присутствуют в достаточно высокой плотности, они начинают организовываться в сетчатый узор в результате всего лишь нескольких простых правил.

При движении бактерии сталкиваются друг с другом. В большинстве случаев нити проходят друг над другом или под друг другом, но иногда одна из них отклоняется и поворачивается, перемещаясь рядом с другой. Эти две нити некоторое время следуют друг за другом, прежде чем одна отделится.

Эти взаимодействия приводят к образованию пучков выровненных нитей, которые организуют более плотные колонии в разросшиеся сети.

Исследователи разработали модель, которая успешно предсказывает типичную плотность и масштаб возникающих структур, включая движение и колебания формы нитей.

Команда говорит, что полученные результаты открывают путь к будущим исследованиям того, как различные типы бактерий самоорганизуются с образованием структур.

Это могло бы улучшить наше понимание того, как формируются бактериальные биопленки — скопления бактерий, прикрепившихся к поверхности и друг к другу. Эти знания имеют решающее значение, учитывая их центральную роль в различных процессах, таких как инфекции человека, деградация окружающей среды и биоинженерия.

Доктор Марко Мацца, доцент кафедры прикладной математики в Университете Лафборо, сказал: «Мы продемонстрировали, что возникающие структуры колоний цианобактерий можно понимать как коллективный результат независимо движущихся клеток с простыми взаимодействиями.

«При тщательном применении современные инструменты неравновесной статистической механики могут обеспечить мощные предсказания даже в живых системах».

Доктор Лукас Геринг, профессор физики Школы науки и технологий Университета Ноттингем Трент, сказал: «Цианобактерии являются одними из самых распространенных и древних организмов на Земле и создали фотосинтез. Они также, возможно, являются самым ранним организмом, экспериментировавшим с многоклеточностью.

«Этот чрезвычайно важный, но скромный микроорганизм участвует в процессах глобального значения, таких как баланс кислорода и азота. Однако, несмотря на его важность для развития сложной жизни, до сих пор не выявлен ни один механизм, объясняющий их коллективное поведение.»