Биогенный магнетит и магниторецепция. Новое о биомагнетизме. Под ред. Дж. Киршвинка. Том 2 (1989), страница 8

Методы исследования Первая стадия приготовления образцов заключается в концентрировании живых магннточувствительных микроорганизмов с помосцью магнита или колец Гельмгольца, прикрепленных к основанию микроскопа (В!а1сепюге, агап(се!, 1981; В1а1сешоге, 1982; Езцпгее1 ес а1., 1983). Очень эффективного концентрирования удавалось достичь при выдерживании образцов в пробирках длиной 30 см и диаметром 0,5 см.

В этом случае уже через несколько минут с помощью пастеровских пипеток можно собирать свободные от осадка и обогащенные магниточувствительными микроорганизмами образцы. Материал, предназначенный для исследования с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) сначала помещают на сетки, покрытые коллодиевой пленкой (приготовленной на основе 0,4;4-ного амилацетата) и фиксируют в парах четырехоксида осмия. Образцы для сканирующей электронной микроскопии концентрировали с помощью магнита на узкой подложке из поли-Ь-лизина, а затем фнкснровалн 2,5'/я-ным раствором глутарового альдегида в О,! М фосфатном буфере в течение > 1 ч.

Затем нх несколько раз поочередно промывали фосфатным буфером и !'А-ной осмиевой кислотой, после чего высушивали с помощью СОз по методу критической точки. После напыления слоя золота толщиной 200 А мы исследовали подложки с помощью светового микроскопа. Таким образом, одни и те же микроорганизмы можно изучать как с помощью сканирующего электронного, так н с помощью светового микроскопов. После фиксации глутаровым альдегидом и магнитного концентрирования микроорганизмы осаждали центрифугированнем, а затем подвергалн дегидратации ацетоном в возрастающих концентрациях. Образовавшийся осадок обрабатывали традиционным способом †выдерживали в течение 12 ч в смеси равных концентраций энола н ацетона, а затем заливали эпоном.

После затвердевания образца приготавливали ультратонкие срезы толщиной — 1000 А. Для наблюдения за исследуемыми микроорганизмами и их киносъемки мы использовали микроскоп <Лейц-Ортолсокс» (Ье(сх-Огс)со!их) с однородным фоновым освещением, объективами от 10х до 100х и окулярами с увеличением от 1О до 40. Мы изучали движение микроорганизмов, а также определяли скорость бактерий при с)-образном повороте, его радиус и время, необходимое на его осуществление, подюпочая кинокамеру или видеосистему к оптическому микроскопу.

Тем самым мы получали возможность определять зависимость средней скорости миграции от напряженности внешнего магнитного поля (Теайне е! а1., 1979). Из-за малого количества микроорганизмов в образцах, собранных в естественных местообитаниях, определение маг- 14. Магниточувствительные микроорганизмы 37 нитного момента магниточувствительных микроорганизмов связано с определенными трудностями. Розенблат и соавторы (КозепЫа11 е! а1., 1982 а,б) измеряли магнитный момент бактерий в культурах Адиазр(гИ1ит таднегосасдсит, используя методики, основанные на регистрации двойного лучепреломления и светорассеяния.

Эти методики применимы только к чистым культурам бактерий (Ггап)се1, 1984). На электронных микрофотографиях видны цепочки электроноплотных частиц, которые по спектроскопическим данным являются кристаллами магнетита (Точе„Ьожепв(аш, 1967! Егап1се! е! а1., 1979). Если такая цепочка достаточно длинна, то, зная число и объем этих плотных частиц, можно оценить магнитный момент бактерии: т = суммарный объем кристаллов х намагниченность насыщения на единицу объема (480 эрг/Гс х см' для магнетита). Однако, если размер организмов составляет всего нескольких микрометров, то изображения, получаемые с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), не отличаются достаточно хорошим разрешением, что затрудняет оценку величины т вышеприведенным методом. Бин (Веап, личное сообщение) предложил способ измерения общего магнитного момента„основанный на изучении параметров (3-образной траектории движения бактерии.

Суть его заключается в изучении реакции организма на изменение направления магнитного поля (В!а)сешоге е! а1., 1979а). Траектория движения магниточувствительных бактерий в постоянном магнитном поле примерно соответствует цилиндрической спирали, направленной вдоль силовых линий поля. Виток этой спирали тем больше, чем сильнее поле. Когда поле неожиданно меняет знак, микроорганизмы оказываются под воздействием врашаюацего момента, н их направление движения после 13-образного разворота меняется на противоположное.

Время т, необходимое для изменения направления движения на противоположное, и диаметр П-образного разворота Ь зависят от суммарного магнитного момента организма и определяются как 8яз)Яз 2тВо т= !ив (1) тВо )сТ 8 2 из Ч (2) В где г) — вязкость (г!но = 10 ' П), 8-константа Больцмана, а Т-абсолютная температура. Соотношения (1) и (2) получены в предположении, что организмы представляют собой сферы радиусом Я, движущиеся с не зависящей от Во скоростью од в гомогенной вязкой среде, и что все их возможйые отклонения от прямолинейной траектории обусловлены броуновским движением. В случае живых организмов в этой модели многое не учитывается, в первую очередь форма микроорганизмов и отклонения от траектории, которые обусловлены двигательным аппаратом (жгути- Ч.

(и Могнитореценцин и .иагнитные минералы 38 ками, ресничками и т.д,), связанным с системой энергообеспечения клеток. Но даже с этими недостатками методика измерения суммарного магнитного момента с помощью и()-образного разворота» остается наиболее общим способом получения информации о магнитных характеристиках данного организма. Если предварительно препараты фиксировать, то при измерении времени т можно избежать влияния собственного движения микроорганизмов. В этом случае суммарный магнитный момент определяют из соотношения (1). 3.3, Анализ результатов Мы брали пробы воды и ила из различных мест в окрестностях Рио-де-Жанейро. В данном разделе приведены результаты исследования солоноватых вод из лагуны Родриго-де-Фрейтас (Койг!8о це Рте)!аз), морских вод из внутренней части залива Гуанабара (ОпапаЬага Вау) и пресных вод из маленькой речки, протекающей в южной части города.

Во всех этих случаях пробы брали из мест, где глубина составляла от 20 до 60 см, а течение было очень слабым. Пробы хранили в лаборатории при комнатной температуре; обогащения химическими веществами не проводили. После 4-5 дней число магниточувствительных микроорганизмов увеличивалось до 10000 клеток/смз. Мы пытались выращивать зти организмы на некоторых средах, в частности на ростовой среде А. таднегогасцеит (В1акепюге ес а1., 1979Ь; Езса!апге-Бешегепа ег а1., 1980), но без успеха. Все магниточувствительные микроорганизмы помещали в сильное переменное магнитное поле (снимавшееся с магнитофонного размагничивателя). В результате популяции, состоявшие преимущественно из организмов, движущихся к югу, превращались в популяции, в которых 50'4 особей перемещались в южном направлении, а 50'/е — в северном.

Поскольку воды лагуны Родриго-де-Фрейтас очень сильно загрязнены органическими веществами из городских сточных вод, они весьма богаты микроорганизмами. При исследовании образцов с помощью светового микроскопа было обнаружено множество кокковидных и палочковидных магниточувствительных бактерий размером 1 — 2 мкм и 2-3 мкм соответственно, поведение которых было сходно с уже описанным в литературе (В1а1сепюге, 1975; КаЬп1)п, В1аЬешоге, 1978; Моепсь, Копе(х)га, 1978; В!а)гепюге, Ргап)ге!, 1981; Езпп1че! е! а1., 1983). Мы также наблюдали палочковидные бактерии, реакция которых на инверсию магнитного поля была иной.

Ко~да направление магнитного поля изменялось, эти бактерии, собравшиеся у края капли„ начинали, вращаясь, двигаться к ее центру. Проплыв примерно 20 мкм, онн, не вращаясь, разворачивались и возвращались к краю капли. Их пассивная реакция на магнитное поле была той же, что и у других магниточувствительных бактерий (В!акепюге, 1975; Езцп!че! е1 а!., 1983).

При исследовании с помощью ПЭМ у кокковидных бактерий были 39 !4. Магниточуветвительные микроорганизмы обнаружены цепочки участков, имеющих правильную геометрическую форму и обладающих высокой электронной плотностью. На микрофотографиях видно, что эти участки, судя по всему, имеют форму гексагональных призм. Основываясь на ранее полученных данных (Тахте, 1 охчепвгаш, 1967; МоепсЬ, 1978; Ргап)ге! ег а1., 1979; Тохче, МоепсЬ, 1981), мы заключили, что эти участки состоят из магнетита. Статистическое распределение объемов этих участков имеет вид узкого пика, соответствующего объему 5 10 " смз.

Число участков на клетку, составляющее 8-10 для кокковидных клеток, сохранялось постоянным во всех изученных образцах. В некоторых образцах было обнаружено большое число бактерий, в которых форма цепочек отличалась от линейной (была 1.-образной или Б-образной) (рис. 14.3 и 14.4). В фиксированных образцах с большим числом клеток магниточувствительные бактерии выстраивались в цепочки.