Ο πρώτος ηλεκτρικός κινητήρας εφευρέθηκε πριν τον άνθρωπο, και φαίνεται μόνο με μικροσκόπιο

Ας κάνουμε μία νοητική άσκηση: Είμαστε παλαιοντολόγοι που ψάχνουν για απολιθώμετα. Εκεί που σκάβουμε, ανάμεσα στα απομεινάρια απο τριλοβίτες, φυτά και αρχαία ερπετά, βρίσκουμε ανεξήγητα μία κυκλική συστοιχία από καλώδια, γεννήτριες, μαγνήτες και γρανάζια. Είναι ένας απλός ηλεκτρικός κινητήρας.

Τι κάνει όμως εκεί; Αν μας ζητούσαν να υποθέσουμε, θα λέγαμε ότι κάποιος τον παράτησε και με τα χρόνια να βυθίστηκε, ή πιο πιθανό, κάποιος να τον έθαψε εκεί για να σπάσει πλάκα με όποιον θα σπαζοκεφάλιαζε για να εξηγήσει την ύπαρξή του.

Πάντως κανείς δεν θα πρότεινε στα σοβαρά πως υπήρχε εδώ και εκατομμύρια χρόνια. ή μήπως κάτι τέτοιο, θα ήταν πιο λογικό απ' ό,τι ακούγεται;

Στον ρου της ιστορίας, δεν είναι ασυνήθιστο βιολογικές ή τεχνητές δομές, που δεν σχετίζονται με κανέναν άλλο τρόπο, να λειτουργούν με απίστευτη ομοιότητα.

Ένα απλό παράδειγμα είναι ο φακός του ζωικού ματιού, και ο γυάλινος φακός, που λειτουργούν κάμπτοντας το φως για να κάνουν εφικτή την όραση.

Αλλά μόλις τη δεκαετία του 1970, έγινε από έναν επιστήμονα μία εξωφρενική υπόθεση, που ήθελε μία από τις πιο μοντέρνες εφευρέσεις μας, να υπάρχει εδώ και πάνω από 2 δισεκατομμύρια χρόνια.

Ας φανταστούμε κάτι ακόμα: 

Είσαι η παλαιότερη γνωστή μορφή ζωής, ένα ταπεινό βακτήριο. Δεν υπάρχει τροφή γύρω σου αυτή τη στιγμή. Θα ήταν υπέροχο αν μπορούσες να κουνηθείς έστω μερικά χιλιοστόμετρα, αλλά προς το παρόν, πρέπει να βασίζεσαι μόνο στον ταχύτατο ρυθμό αναπαραγωγής σου, και σε ότι ευκαιριακή κίνηση σε φέρνει κοντά στην τροφή σου.

Είσαι σε αδιέξοδο εκ γενετής. Στο μέγεθός σου (μερικά μικρόμετρα), το νερό συμπεριφέρεται περισσότερο σαν πίσσα. Όμως, λίγο περισσότερο από ένα δισεκατομμύριο χρόνια μετά, έχεις βρει την τέλεια λύση.

«Μπορύμε να μιλήσουμε για ένα σύστημα που λειτουργεί άριστα», λέει στο σχετικό άρθρο του Quanta Magazine ο Aravinthan Samuel,  βιοφυσικός στο Πανεπιστήμιο Χάρβαρντ.

Ο άνθρωπος ήρθε...δεύτερος

Η αργή εξέλιξη των ευκαρυωτικών οργανισμών, δημιούργησε μέσα σε χιλιάδες εκατομμύρια χρόνια, μία δομή μόνο μερικών νανομέτρων, που ακούει στο όνομα «μαστιγωτός κινητήρας» (flagellar motor).

Η δομή αυτή, που διαθέτουν πολλά βακτήρια, συνδυάζει «τεχνολογία» διαφορικού δυναμικού και ελικοειδούς περιστροφής, για να δημιουργεί πρόωση που επιτρέπει την κίνηση του βακτηρίου.

Είναι, κυριολεκτικά, ένας ηλεκτρικός κινητήρας που περιστρέφεται αρκετές εκατοντάδες φορές ανά δευτερόλεπτο, για να στροβιλίσει το μαστίγιο, αυτή την νηματώδη προέκταση που διαθέτουν τα βακτήρια για να κινούνται στον χώρο.

Όταν ο μαστιγωτός κινητήρας περιστρέφεται αριστερόστροφα, ωθεί το κύτταρο μέσα στο νερό 10 ή περισσότερες φορές το μήκος του σε ένα δευτερόλεπτο. Ο κινητήρας μπορεί επίσης να περιστραφεί δεξιόστροφα, προκαλώντας πιο διάχυτη κίνηση, και «φρενάροντας» το κύτταρο. 

Αυτή η καταπληκτική, αυτοσυναρμολογημένη, μοριακή μηχανή είναι τόσο ισχυρή αλλά και τόσο λιτή που, δισεκατομμύρια χρόνια αργότερα, εξακολουθεί να χρησιμοποιείται από τα βακτήρια σε όλα τα μήκη και πλάτη του πλανήτη.

Μία εξωφρενικά ακριβής υπόθεση

Ακούγεται σαν αφήγηση ενός μυθομανή, και ίσως έτσι να ακουγόταν σε κάποιους σύγχρονους του ανθρω΄που που εξήψε την επιστημονική περιέρεια για αυτόν τον πανέμορφα περίπλοκο πρωτεϊνικό ρότορα.

Διαβάστε ακόμα: Πώς είναι να γίνεται κάτω από το σπίτι σου το έγκλημα που βλέπεις στις ειδήσεις

Ο μαστιγωτός κινητήρας ανακαλύφθηκε από τον αείμνηστο Χάουαρντ Μπεργκ, έναν ευφυή πειραματιστή που πέρασε το μεγαλύτερο μέρος της καριέρας του στο Χάρβαρντ.

Ο Μπεργκ ξεκίνησε στις αρχές της δεκαετίας του 1970 να εφαρμόσει την εκπαίδευσή του στη φυσική για να κατανοήσει πώς κινούνται τα βακτήρια. Το πρόβλημα ήταν ότι, κάτω από ένα μικροσκόπιο, το Escherichia coli , η Salmonella και άλλα βακτήρια κολυμπούσαν σχεδόν αμέσως εκτός πλαισίου.

Έτσι, ο Μπεργκ εφηύρε και κατασκεύασε ένα αυτόματο μικροσκόπιο που μπορούσε να παρακολουθεί ένα βακτήριο καθώς κινούνταν.

Τα δεδομένα αποκάλυψαν ότι τα βακτήρια «τρέχουν και στροβιλίζονται», δηλαδή εναλλάσσουν μεταξύ κολύμβησης σε ευθεία και της χαοτικής κίνησης. Ο Μπεργκ διατύπωσε τη θεωρία ότι τα βακτήρια αλλάζουν την κατάσταση κολύμβησης με βάση τις χημικές διαβαθμίσεις που ανιχνεύουν καθώς κολυμπούν.

Η προεπιλεγμένη συμπεριφορά τους είναι να κολυμπούν ευθεία. Εάν η συγκέντρωση σακχάρων και άλλων θρεπτικών συστατικών αυξάνεται, το κύτταρο συνεχίζει να προχωρά.

Εάν η συγκέντρωση μειωθεί, στροβιλίζεται, ξεκινώντας μία ακανόνιστη πορεία, που λειτουργικά αυξάνει τις πιθανότητες να βρει ένα νέο, πιο ωφέλιμο μονοπάτι στον χώρο.

Αναπροσανατολισμένο σε μια νέα κατεύθυνση, το βακτήριο συνεχίζει να κολυμπάει ευθεία. Αυτή η διαδικασία διατηρεί το βακτήριο κοντά σε μόρια που μπορούν να συλλεχθούν, τα οποία απορροφά μέσω καναλιών στο κυτταρικό τοίχωμα και τη μεμβράνη του.

Ο Μπεργκ υπέθεσε ότι ο κινητήρας των μαστιγίων ήταν ένας ρότορας που περιέστρεφε το μαστίγιο σαν ρόδα. «Το υπέθεσε αφού κόλλησε τα μαστίγια δύο αντικρυστών κυττάρων μεταξύ τους, και βλέποντάς τα να περιστρέφονται σε αντίθετες κατευθύνσεις.

Από αυτό, χωρίς κανένα απτό στοιχείο, υπέθεσε ότι το βακτηριακό μαστίγιο περιστρέφεται. Πολύ μπροστά από την εποχή του. Αυτό ήταν 50 χρόνια πριν κατανοήσει πώς λειτουργεί αυτός ο κινητήρας.

Ο κινητήραςπου δεν θα έπρεπε να υπάρχει

Περαιτέρω πειράματα έδειξαν ότι ο κινητήρας αυτός μπορεί να αλλάζει όχι μόνο κατεύθυνση κύλισης, αλλά ακόμα και ταχύτητες. Όταν τα μαστίγια των βακτηρίων περιστρέφονται όλα αριστερόστροφα, σχηματίζουν μια δέσμη που ακολουθεί το κύτταρο που κολυμπάει, σαν πλεξούδα στον άνεμο, κατευθύνοντάς το ευθεία.

Αλλά μόλις ο κινητήρας αντιστρέψει την κατεύθυνση και αρχίσει να περιστρέφεται δεξιόστροφα, η δέσμη διαλύεται. Το αντίστροφα στροβιλιζόμενο νήμα ξετυλίγει την πλεξούδα και θέτει τους κινητήρες των μαστιγίων του κυττάρου σε διασταυρούμενες λειτουργίες, ωθώντας το κύτταρο σε διαφορετικές κατευθύνσεις. Είναι μία ατελής, αλλά αποτελεσματική διπλή λετουργία.

Πριν από το έργο του Μπεργκ, «η ιδέα ενός μοριακού κινητήρα ήταν τρελή, τίποτα δεν περιστρέφεται με κανέναν τρόπο», λέει  ο Σάμιουελ, πρώην φοιτητής του Μπεργκ, ο οποίος τώρα διευθύνει το δικό του εργαστήριο στο Χάρβαρντ. Θα μπορούσε να κουνιέται, σίγουρα, αλλά να περιστρέφεται; Απαιτεί μια συγκεκριμένη γεωμετρία που οι άνθρωποι δεν πίστευαν ότι ήταν προσβάσιμη στη βιολογία».

Από την ανακάλυψη του βακτηριακού μαστιγοφόρου κινητήρα τη δεκαετία του 1970, βιολόγοι από τη μία και δημιουργιστές (σ.σ. υποστηρικτές της δημιουργίας του κόσμου από έναν θεό) από την άλλη, εξαίρουν τον σχεδιασμό του, για διαφορετικούς όμως σκοπούς. 

Είναι δύσκολο να κατανοήσει κανείς το επίπεδο μηχανικής που μπορεί να επιτευχθεί με ένα δισεκατομμύριο χρόνια βακτηριακής εξέλιξης, ειδικά με μόνο 20 λεπτά μεταξύ των γενεών των κυττάρων, κάτι που επιτρέπει έναν πραγματικά αστρονομικό αριθμό μεταλλάξεων και δοκιμών.

Οι δημιουργιστές παρουσιάζουν τον βακτηριακό μαστιγοφόρο κινητήρα ως ένα παράδειγμα ευφυούς σχεδιασμού, συγκεκριμένα υπό την έννοια της «μη αναγώγιμης πολυπλοκότητας».

Αυτή η ιδέα προτάσσει πως ένα βιολογικό σύστημα τόσο περίπλοκο, δεν θα μπορούσε να έχει προκύψει σταδιακά μέσω της δαρβινικής εξέλιξης.

Ωστόσο, οι επιστημονικές εξηγήσεις για τη λειτουργία και τις απαρχές του μαστιγωτού κινητήρα, ολοένα κερδίζουν έδαφος. Ένα κύμα μελετών από το 2020 και μετά έχει διαλευκάνει τις μοριακές δομές των μερών του, συμπεριλαμβανομένων των μικρών γραναζιών που περιστρέφουν ένα κεντρικό γρανάζι στη βάση του μαστιγίου.

Τα τελευταία κομμάτια αυτού του δυναμικού παζλ μπήκαν στη θέση τους μόλις τον Μάρτιο του 2026.

Τα τελευταία κομμάτια του παζλ

«Η αναζήτησή μου έχει πλέον εκπληρωθεί», δήλωσε ο Μάικ Μάνσον, ομότιμος καθηγητής βιοφυσικής στο Πανεπιστήμιο Texas A&M, ο οποίος άρχισε να μελετά τον μαστιγωτό κινητήρα τη δεκαετία του 1970. «Επιτέλους κατάλαβα πώς λειτουργεί αυτό το πράγμα που μελετώ εδώ και 50 χρόνια».

Η λειτουργία του μαστιγοφόρου κινητήρα είναι πράγματι ιδιοφυής, και βασίζεται όλη στις ιδιότητες των πρωτονίων, των σωματιδίων που συνθέτουν τον πυρήνα των ατόμων, από κοινού με τα νετρόνια.

Οι βελτιώσεις τα τελευταία 15 χρόνια σε μια τεχνική απεικόνισης που ονομάζεται κρυο-ΗΜ (κρυογενική ηλεκτρονική μικροσκοπία) έχουν επιτρέψει στους ερευνητές να δουν τα «εξαρτήματα» του μαστιγοφόρου κινητήρα. Αυτό έχει διευκρινίσει τον τρόπο λειτουργίας του.

Στη βάση του κινητήρα βρίσκεται ο λεγόμενος «δακτύλιος C» (ή «κυτταροπλασματικός δακτύλιος»), ένας δακτύλιος 34 πανομοιότυπων πρωτεϊνών που επιπλέουν στο κυτταρόπλασμα μέσα στην κυτταρική μεμβράνη.

Οι επιστήμονες στις δεκαετίες του 1980 και του 1990 διαπίστωσαν ότι όταν περιστρέφεται ο δακτύλιος C, περιστρέφεται και το μαστίγιο. Αλλά το γιατί και το πώς περιστρέφεται δεν ήταν προφανές.

Το «κιβώτιο ταχυτήτων» του βακτηρίου

Οι δομές που παράγουν την κίνηση, σύμφωνα με πρόσφατη έρευνα, είναι οι «στάτορες» του κινητήρα, μικρότερα πρωτεϊνικά «γρανάζια» που αγκυροβολούν πάνω και έξω από τον δακτύλιο C.

Ο αριθμός τους ποικίλλει ανάλογα με το είδος του βακτηρίου (το E. coli έχει 10 ή 12 διαθέσιμα ανά μαστίγιο) και ο αριθμός τους στον δακτύλιο C σε μια δεδομένη στιγμή εξαρτάται από το βάρος του κυττάρου ή το ιξώδες (σ.σ. η τριβή μέσα σε ένα ρευστό) του περιβάλλοντος υγρού.

Κάθε στάτορας αποτελείται από δύο κεντρικές πρωτεΐνες που κρέμονται από το κυτταρικό τοίχωμα και πέντε πρωτεΐνες διαφορετικού είδους που σχηματίζουν έναν πενταγωνικό δακτύλιο γύρω από το ζεύγος. Αυτή η πενταγωνική δομή είναι το μέρος που εφαρμόζει και κινεί τον δακτύλιο C.

Κάθε πενταγωνικός δακτύλιος κινείται σαν περιστροφική πύλη, κατά το ένα δέκατο της περιστροφής κάθε φορά. Αυτό που ωθεί την περιστροφική πύλη είναι ένα ρεύμα πρωτονίων. Η ασύμμετρη τοποθέτηση δύο πρωτεϊνών μέσα σε έναν πενταγωνικό δακτύλιο επιτρέπει σε ένα πρωτόνιο έξω από το κύτταρο να συνδεθεί ασθενώς με μία από αυτές.

Καθώς οι πρωτεΐνες σπρώχνονται, το πρωτόνιο αποσυνδέεται, ασκώντας ροπή στον δακτύλιο καθώς κινείται. Αυτό δημιουργεί την ευκαιρία να λάβει χώρα η ίδια διαδικασία και με την άλλη κεντρική πρωτεΐνη. Με αυτόν τον τρόπο, τα πρωτόνια ουσιαστικά ενεργοποιούν το κινητήριο γρανάζι του μαστιγοφόρου κινητήρα. 

Τα πρωτόνια θέλουν πάντα να ρέουν μέσα στα κύτταρα, ποτέ έξω. Περνώντας με αυτόν τον τρόπο, σπρώχνουν πάντα τους πενταγωνικούς δακτυλίους δεξιόστροφα.

Πώς, όμως, μπορεί ο κινητήρας του μαστιγίου να αλλάξει κατεύθυνση; Το 2024, ένα άλλο ζεύγος μελετών κρυο-ΗΜ, αποκάλυψε την απάντηση.

Θυμηθείτε ότι ένας μαστιγοφόρος κινητήρας αλλάζει κατεύθυνση, προκαλώντας την ανατροπή του βακτηρίου, όταν οι περιβαλλοντικές συνθήκες φαίνεται να επιδεινώνονται.

Όταν εισέρχονται λιγότερα θρεπτικά μόρια, το βακτήριο «φωσφορυλιώνει» πρωτεΐνες που ονομάζονται CheY, επισημαίνοντάς τες με άτομα φωσφόρου. Μέσα σε χιλιοστά του δευτερολέπτου, τα φωσφορυλιωμένα μόρια CheY διαχέονται γύρω από το κύτταρο και ένα από αυτά συνδέεται με μία από τις πρωτεΐνες του δακτυλίου C.

Αυτή η μικρή αλλαγή πυροδοτεί έναν μετασχηματισμό: Η πρωτεΐνη διαμορφώνεται, μετατρέποντας την επόμενη πρωτεΐνη και μετά την επόμενη. Σχεδόν αμέσως ολόκληρος ο δακτύλιος C αναδιαμορφώνεται. 

Ενώ ο δακτύλιος C βρίσκεται στο τροποποιημένο σχήμα του, οι στάτορες - οι μικροί κινητήρες που περιστρέφονται δεξιόστροφα, πλέον άπτονται στην εσωτερική άκρη του δακτυλίου C, αντί για την εξωτερική του άκρη.

Ως αποτέλεσμα, ο δακτύλιος C περιστρέφεται και αυτός δεξιόστροφα. 

Σύντομα, το ασταθές άτομο φωσφόρου αποκολλάται από την πρωτεΐνη CheY, προκαλώντας την επιστροφή των πρωτεϊνών του δακτυλίου C στον αρχικό σταθερό σχηματισμό τους και την αριστερόστροφη κίνηση. Το βακτήριο επιστρέφει στην εμπρόσθια κίνηση, σε μια νέα κατεύθυνση, στην αναζήτηση περισσότερης τροφής.

Και αυτό ήταν. Δεν ήταν παρά μόνο μερικές εβδομάδες πριν, όταν η ανθρωπότητα ολοκλήρωσε το βιολογικό «παζλ» ενός οργανισμού που είδε τις απαρχές της Γης.

Εμείς, χωρίς καν να το γνωρίζουμε, δεκαετίες πριν δημιουργήσαμε ένα εργαλείο με τις ίδιες ακριβώς αρχές, νομίζοντας ότι προχωράμε τη μηχανική ένα βήμα μπροστά. Σε κάνει να αναρωτιέσαι αν οι οργανισμοί που θεωρούμε υποδεέστερους, γελάνε κρυφά με τα καμώματά μας.

Γενετική μνήμη, «θεία πρόνοια», ή απλά τύχη; Για εμένα το γεγονός και μόνο ότι η ζωή καινοτομεί χωρίς να έχει καν τη συνείδηση για να το καταλάβει, είναι πιο συγκινητικό από κάθε εξήγηση.

Ακολουθήστε το Reader στα Google News για να είστε πάντα ενημερωμένοι για όλες τις ειδήσεις και τα νέα από την Ελλάδα και τον κόσμο.