Движение микроорганизмов

Общие сведения

Микроорганизмы обладают разнообразными способами движения, которые обеспечивают им поиск пищи, избегание неблагоприятных условий и распространение. Вода и жидкости окружающей среды создают физические условия, в которых движение микробов подчиняется законам гидродинамики малых чисел Рейнольдса.

Число Рейнольдса и его значение для микроорганизмов

Число Рейнольдса Re — безразмерный параметр, характеризующий соотношение сил инерции и вязкости: $Re = \frac{\rho v L}{\eta}$ где ρ — плотность жидкости, v — скорость движения, L — характерный размер, η — вязкость.

Для микроорганизмов с размером в несколько микрометров и скоростью движения порядка микрометров в секунду Re очень мал (порядка 10−5 − 10−4). Это означает, что вязкие силы доминируют, и движение происходит в режиме ламинарного течения с пренебрежимо малыми инерционными эффектами.

Способы движения микроорганизмов

  1. Жгутики и реснички Многие бактерии и одноклеточные используют жгутики — тонкие нитевидные структуры, которые вращаются или изгибаются, создавая толчки для движения вперед. Движение жгутика часто сравнивают с вращением винта.

  2. Амёбоидное движение Обеспечивается за счёт изменения формы клетки: псевдоподии выдвигаются и прикрепляются к поверхности, протягивая клетку вперёд. Этот тип движения характерен для амёб и некоторых эукариотических клеток.

  3. Цилиарное движение Реснички, покрывающие поверхность клетки, совершают координированные движения, подобные гребкам, обеспечивая перемещение по поверхности жидкости или скольжение.

Особенности гидродинамики движения при низком числе Рейнольдса

  • Отсутствие инерции: при прекращении усилия движение останавливается мгновенно.
  • Обратимость движения: чисто реверсивные движения жгутика не обеспечивают продвижение.
  • Для эффективного движения необходимы нелинейные циклы движений (например, асимметричный взмах ресничек).

Навигация и таксис

Микроорганизмы способны ориентироваться в пространстве, реагируя на внешние стимулы:

  • Хемотаксис — движение в направлении химического градиента (питательных веществ или токсинов).
  • Фототаксис — ориентация по свету.
  • Геотаксис — реагирование на силу тяжести.
  • Термотаксис — движение в ответ на температурные изменения.

Эти реакции обеспечивают эффективное адаптивное поведение и выживание.

Влияние среды и взаимодействие с поверхностями

Поверхностное натяжение, вязкость среды, наличие потоков и структур окружающей среды (например, слизи, клеточных пленок) значительно влияют на движение микроорганизмов. Многие бактерии могут изменять скорость и траекторию движения в зависимости от физико-химических условий.

Биофизика и моделирование движения микроорганизмов

Использование математических моделей, основанных на уравнениях Стокса (уравнения для вязкого ламинарного течения при низком Re), позволяет описывать движение жгутиковых бактерий, поведение колеблющихся ресничек и взаимодействие с границами среды.

Оглавление