موتوری با بازده ۱۰۰٪!
به نظر شما آیا تا کنون ماشینی ساخته شده است که بازده آن 100% باشد؟ خیر بشر تا کنون نتوانسته است چنین ماشینی را بسازد و حتی کارآمد ترین ماشین هایی که به دست بشر ساخته شده است حداقل مقداری از انرژی را به صورت حرارت یا ... حدر می دهند. اما جالب است بدانید که خداوند قادر و عالم ، ماشینی را کاملاً هنرمندانه آفریده است که باز دهی آن نزدیک به 100% است (99.9999%) .
این ماشین حیرت آور چیزی نیست جز باکتری تاژک ! از این ماشین حیرت آور نسخه ای با عملکردی متفاوت در بدن ما و هر موجودی که دارای میتوکندری می باشد نیز وجود دارد. تاژک باکتریایی دارای نقش حرکتی برای باکتری ها میباشد. در میان یاخته های زنده، شاید باکتریها متحرکترین آنها باشند. اگر باکتریها را در یک قطره آب در زیر میکروسکوپ مشاهده کنیم، بیشترین آنها دایماً مسیر خود را تغییر می دهند و بندرت این عمل بکندی صورت می گیرد. باکتریها می توانند به وسیله چرخش سریع رشته های پروتئینی به نام «تاژک»های (flagellum ) که از بدن آنها خارج شده است، در آب شنا کنند.
ساختمان تاژک باکتریایی
حرکت در اکثر گونه های باکتری توسط ماشین مولکولی پیچیده ای به نام تاژک انجام می شود که در آن مقدار بسیار زیادی پروتئین مختلف به کار رفته است که اصلی ترین آنها پروتئین فلاژین می باشد. این نانو ماشین حیرت آور تا 300 دور بر ثانیه چرخش دارد و نیروی گشتاور آن برابر با 1400 پیکونیوتن نانومتر بر ثانیه (1400 piconewton-nms) می باشد. طول تاژک از پیلی بلند تر بوده و دارای حرکت است اینها اصلی ترین تفاوت های ظاهری تاژک و پیلی می باشد که در شکل زیر به خوبی نشان داده شده است.
همانطور که مشاهده میشود حتی پیلی جنسی (F Pillus) هم که یکی از بزرگترین پیلی هاست به بلندی تاژک نیست. تاژک دارای سه بخش اساسی است : 1) بخش بازال 2) هوک یا قلاب 3) فیلامنت یا رشته
1) جسم بازال یا پایه (basal) :
این بخش درون غشاء سیتوپلاسمی باکتری قرار دارد و مسئول اتصال تاژک به باکتری می باشد ، بخش موتوری تاژک که باعث چرخش تاژک می شود نیز در قسمت بازال قرار دارد.
بخش بازال از حلقه های متعددی تشکیل شده است که تعداد این حلقه ها در باکتری های گرم مثبت و گرم منفی متفاوت است به طوریکه در باکتری های گرم مثبت تعداد آنها 2 عدد ودر گرم منفی ها تعداد آنها 4 عدد است. نحوه ی قرار گیری حلقه های تاژک در باکتری های گرم منفی به این صورت است که در سمت داخلی غشای سیتوپلاسمی حلقه ی M قرار دارد وسمت خارجی غشاء سیتوپلاسمی حلقه ی S وجود دارد. همانطور که در شکل مشاهده گاهی این دو حلقه را با یکدیگر به نام حلقه ی M_S می نامند.
حلقه ی دیگر حلقه ی P می باشد که در فضای پری پلاسمی دیواره سلولی و به طور مشخص درون پپتیدوگلیکان باکتری قرار دارد. همانطور که در شکل مشاهده می شود خارجی ترین حلقه بخش بازال تاژک ، حلقه ی L می باشد که در غشاء خارجی باکتری قرار دارد . همانطور که انتظار می رود حلقه های P و L در باکتری های گرم مثبت وجود ندارد . (زیرا در باکتری های گرم مثبت فضای پری پلاسمی ای وجود ندارد که حلقه P در آن قرار بگیرد و همچنین غشای خارجی هم در این باکتری ها وجود ندارد در نتیجه حلقه ی L در این باکتری ها وجود ندارد)
کار این حلقه ها چیست؟
حال که مکان این حلقه ها را توضیح دادیم این سوال پیش می آید که کار این حلقه ها چیست. این حلقه ها در واقع به عنوان یک بوش (bush) عمل می کنند. آیا می دانید بوش چیست؟ بوش به وسیله ای گویند که حلقوی شکل بوده به دور یک میله قرار میگیرد و میله را در یک سوراخ عریض تر از قطر میله فیکس میکند، اگر این حلقه ها نباشند چه اتفاقی می افتد؟ بدون این حلقه ها، در هنگام چرخش، میله زرد رنگی که در شکل نشان داده شده است و از میان این حلقه ها عبور کرده است آزادانه با حرکاتی نا منظم درون فضای قسمت بازال تاژک که از قطر میله عریض تر است می چرخد !
پروتئین Mot که با رنگ کرمی در شکل نشان داده شده است مسئول چرخش تاژک است (Mot مخفف کلمه موتور است). باکتری ها در حالت عادی بوسیله پمپ های پروتونی پیوسته یون های با بار مثبت را به بیرون پمپ می کنند. نتیجه این عمل باعث می شود که همیشه درون باکتری دارای کمبود بار مثبت باشد و در نتیجه بار منفی بیشتر باشد و بیرون از باکتری دارای بار مثبت بیشتری نسبت به داخل باکتری باشد. در نتیجه ی اختلاف پتانسیل الکتروشیمیایی بوجود آمده یونهای مثبت میل به ورود به درون باکتری دارند ، و جالب است بدانید که یکی از اصلی ترین مکان های ورود این یونها به درون باکتری همین قسمت بازال تاژک و مشخاصاً پروتئین Mot است و یونها برای ورود به درون باکتری مجبورند که از این مکان عبور کنند. با عبور یونها، پروتئین Mot باعث چرخش میله وسط (Rod) می شود و این پروتئین نیز نیرو را به بخش بیرونی تاژک انتقال داده و تاژک می چرخد.
پروتئین Fli یا Switch motor پروتئینی است که عملکرد آن تغییر جهت چرخش تاژک باکتری است. به طوری که می دانیم زمانیکه تاژک در جهت خلاف عقربه های ساعت بچرخد باکتری را به جلو می راند ولی زمانیکه در جهت خلاف عقربه های ساعت بچرخد باکتری دیگر حرکت جهت داری نمی کند و در همان جا شروع به ملق زدن میکند این ملق زدن برای باکتری دارای اهمیت است که در ادامه همین بحث به طور جداگانه به آن اشاره خواهیم کرد (نحوه حرکت باکتری در پایین توضیح داده شده است ). البته پروتئین های بخش بازال بسیار زیاد هستند که ما در اینجا به اساسی ترین و مهمترین های آنها اشاره کردیم.
2) هوک یا قلاب (Hook) :
این بخش که در شکل با رنگ صورتی نمایش داده شده است رابط بین فیلامنت تاژک و بخش میله ای جسم بازال (Rod) است و دارای شکلی خمیده است که همین خمیده بودن از اهمیت بالایی برخوردار است چرا که اگر این بخش وجود نداشته باشد و تاژک به صورت مستقیم به میله ی بخش بازال (Rod) متصل باشد، با چرخش تاژک باکتری دیگر به جلو حرکت نخواهد کرد. برای تصور بهتر کافیست هلیکوپتری را تصور کنید که دارای همه ی قسمت های موتور و محور مرکزی (Rod) می باشد اما دارای ملخ نیست ! موتور محور اصلی را می چرخاند ولی هلیکوپتر به بالا حرکت نمی کند. در اینجا هم این خمیده بودن موجب می شود تاژک از دینامیک مناسبی جهت جلو راندن باکتری در محیط مایع برخوردار شود.
3) فیلامنت یا رشته Filament :
این بخش از تاژک خارجی ترین بخش تاژک می باشد ، همانطور که قبلآ اشاره شد دارای ساختمانی تو خالی می باشد که به علت همین لوله ای بودن دارای استحکام فوق العاده ای می باشد. این تو خالی بودن تاژک در سنتز تاژک نیز دارای اهمیت است به طوریکه ساب یونیت های تشکیل دهنده فیلامنت در هنگام سنتز تاژک از داخل همین فضای خالی به انتهای تاژک منتقل می شوند.
حال به شکل زیر نگاه کنید :
در قسمت A شکل بالا مقایسه ای بین ساختمان تاژک در باکتری های گرم منفی و گرم مثبت صورت گرفته است.
در قسمت B این شکل ، ورود پروتون هابه درون باکتری ازطریق ناحیه بازال تاژک را مشاهده می کنید که همانطور که در بالا ذکر شد نهایتاً موجب چرخش تاژک باکتری می گردد.(ساختمان تاژک یک باکتری گرم منفی نمایش داده شده است.)
تحرک تاژک باکتری:
در این قسمت توضیح مختصری در مورد مکانیسم حرکتی تاژک باکتری ها خواهیم داد:
همانطور که : در شکل بالا مشاهده می کنید زمانیکه تاژک باکتری در جهت خلاف عقربه های ساعت می چرخد. (CCW = Counter Clock Wise) باکتری رو به جلو حرکت می کند اما زمانیکه تاژک باکتری در جهت عقربه های ساعت (CW = Clock Wise) بچرخد باکتری در جای خود شروع به ملق زدن می کند (Tumble) سپس بار دیگر تاژک شروع به چرخش در خلاف جهت عقربه های ساعت می کند که در این حالت باکتری را به جلو می راند.
تاژک باکتریایی چگونه از حرکت باز می ایستد؟
در 23 ژون 2008 آقای Kearns و همکاران در قسمت بازال تاژک باکتریایی پروتئینی را شناسایی کردند که آن را مسئول از حرکت ایستادن تاژک باکتری اعلام کردند.
این پروتئین EpsE نام دارد و مکانیسم عمل آن مانند کلاج اتوموبیل است. اگر بخواهیم به طور بسیار خلاصه و ساده توضیح دهیم ، موتور اتوموبیل در نهایت نیروی گردشی خود را به جعبه دنده انتقال می دهد که جعبه دنده در نهایت این نیرو را چرخ ها انتقال میدهد. کلاج نیز می تواند ارتباط بین موتور و جعبه دنده را قطع کند و در نتیجه موتور کار می کند ولی نیروی آن به چرخ ها انتقال پیدا نمی کند.
پروتیئن EpsE که در قسمت بازال تاژک باکتریایی قرار دارد نیز چنین وظیفه ای بر عهده دارد به این صورت که زمانیکه باکتری به جایی گیر کند و یا اینکه نیاز باشد که باکتری از حرکت بایستد ارتباط بین قسمت هوک و موتور تاژک را قطع می کند در نتیجه اگرچه بخش موتور می چرخد اما تاژک حرکتی ندارد.
مطالبی که گفته شد در شکل بالا مشاهده می شود. پروتیئن EpsE با رنگ قرمز نشان داده شده است که حالت حلقه ای شکل دارد و پروتئین FliG که با رنگ نارنجی نشان داده است را فشرده کرده است. پروتئین FliG در واقع جزئی از بخش موتوری تاژک است که برای حرکت ، حتماً باید با جزء اصلی پروتئین موتور که در اینجا با رنگ سبز تیره نشان داده شده است در ارتباط باشد. اگر دقت کنید پروتیئن EpsE با تنگ کردن حلقه خود جزء FliG را از قسمت سبز رنگ دور کرده است و ارتباط بین آنها را از بین برده است در این صورت بخش سبز رنگ می چرخد اما مجموعه ی تاژک ، هوک ، بخش بنفش رنگ ، پروتیئن EpsE و پروتئین FliG که همگی به هم متصل هستند بعلت اینکه با بخش سبز رنگ ارتباطی ندارند نمی چرخند.
باکتری تاژک، یک موتور میکروسکپی بسیار پیشرفته می باشد. که شامل ۴۰ پروتئین اختصاصی است که هر کدام از آنها همانند یک قطعه از یک موتور پیشرفته عمل می کنند. این قطعات همچون: روتور(rotor)، استاتور(stator)، شافت محرک(drive-shaft)، اتصالات(U-joint)، ملخ (propeller)، کلاچ(clutch)، گیربکس مستقیم و معکوس( two gears forward and reverse)، بوش(یاتاقان) و ... می باشند. این موتور پیشرفته با وزن بسیار ناچیز، شامل سیستم خنک کننده با آب و همچنین سنسورهای پیشرفته می باشد.
میشائیل بیح (Michael Behe) در کتاب (Darwin's Black Box) می گوید: باکتری تاژک نمی تواند در اثر تحول ناشی از گذر زمان بوجود آید. باکتری تاژک یک سیستم کاملا پیشرفته است که از اجراء متعددی تشکیل شده که تمامی این اجزاء در ارتباط با هم می باشند و در صورت نبود یک جزء کل سیستم از کار می افتد.
Furthermore, the E. coli bacterial flagellum simply could not have evolved gradually over time. The bacterial flagellum is an "irreducibly complex" system. An irreducibly complex system is one composed of multiple parts, all of which are necessary for the system to function. If you remove any one part, the entire system will fail to function. Every individual part is integral. There is absolutely no naturalistic, gradual, evolutionary explanation for the bacterial flagellum
اگر ما چشمان خود را باز کنیم در اطراف خود بسیاری از نشانه های خداوند قادر را خواهیم دید. آیا وجود دستگاهی به پیچیدگی باکتری تاژک، دلیلی محکم بر وجود خداوند قادر نیست؟!
منبع وبلاگ علم راهی بسوی آفریدگار
