Критическая масса. Как одни явления порождают другие

На поверхности твердого агара, по которой клетки не могут передвигаті ся, можно обнаружить оба типа колоний — ДЛА-кластеры и кольца модел Идена, а рост колоний происходит за счет образования новых клеток t границе. Гораздо более сложный характер носит рост бактериальных кулі тур на мягком геле, когда бактерии могут самостоятельно перемещаться. В этом случае наблюдаются как тонкие расходящиеся ветви (в слоях с недостаточным количеством питательных веществ), так и концентрические кольца Идена (при избытке питания). В тех средах, где бактерии абсолютно подвижны и обеспечены полноценным питанием, колонии развиваются примерно по круговым фронтам настолько быстро, что их рост становится заметен чуть ли не визуально.

Уменьшение концентрации агара

Рис. 5.4. Зависимость формы и особенностей колоний бактерий, выращенных в чашках Петри на агаровом геле, от двух переменных процесса роста — наличия питательных веществ и жесткости геля. Паттерны на рисунке сведены в морфологическую диаграмму с достаточно ясными границами между различными формами. Промежуточные зоны между разными морфологиями выделены серым цветом, а пунктирная линия разделяет всю область на зоны, где клетки из-за характеристик- среды являются неподвижными (слева) и подвижными (справа).

В результате такого бурного развития все «пространство» геля (я подразумеваю условное пространство, ограниченное упомянутыми «контрольными параметрами», каковыми выступают твердость геля и содержание питательных веществ в нем) оказывается очень быстро заполненным колониями разного типа, разной формы и разных характерных паттернов, как показано на рис. 5.4. При этом границы между областями существования различных форм четко выражены, переход от одного паттерна к другому носит довольно резкий характер при незначительном изменении «контрольных параметров» Это сразу навело Мацуситу и его сотрудников на мысль о фазовых граница? характерных для термодинамики и разделяющих, например, твердое, жидко и газообразное состояния одного и того же вещества. Пересечение системоі фазовой границы и означает фазовый переход, а сама картина состояниі обычно называется фазовой диаграммой. Японские исследователи быстр поняли, что им посчастливилось обнаружить в узорах бактериального рост некое подобие фазовых диаграмм.

Изменение формы бактериальных колоний, строго говоря, нельзя на зывать фазовым переходом, прежде всего из-за того, что этот рост являете очевидно неравновесным процессом. Гораздо разумнее сравнить описы ваемые процессы с изменениями диссипативных структур типа ячеек Рэ лея — Бенара, тем более что там также наблюдается переход от одной формі ячеек к другой. Поэтому ученые, изучающие формообразование в растущи: колониях бактерий, предпочитают говорить о морфологических диаграммы классифицируя формы образующихся колоний в зависимости от условиі выращивания (слово морфология в данном контексте относится прост к «форме» и ничему больше).

Как оказалось позднее, некоторые другие бактерии демонстрируют ещ более сложные и разнообразные механизмы роста, но и при этом проявля ются резкие изменения форм образующихся колоний при варьированиі условий. Ранее уже отмечалось, что поведение ДЛА-кластеров можні объяснить на основе модели Виттена — Сандера, а в следующей глав будут приведены дополнительные примеры возможной классификациі паттернов на основе довольно простых предположений относительн движения клеток в среде выращивания. Таким образом, можно прийти : выводу, что, изучая простые «правила» поведения отдельных клеток, мі можем предсказывать вид, структуру и закономерности роста их больши: ассоциатов.

ЛЕДЯНЫЕ ЦВЕТЫ

Концепция использования морфологических диаграмм для описани. процессов неравновесного роста восходит еще к 1930-м годам, когда японс кий ученый Укитиро Накая в университете Хоккайдо использовал аналогичный подход д ля описания снежинок, с разговора о которых и началась данная глава. Упоминавшаяся книга Бентли и Хэмфри заполнена изображениям прекрасных и разнообразных шестиконечных звездочек, однако на последних страницах книги можно увидеть несколько совершенно поразительных образцов. Дело в том, что в природе помимо широкоизвестных плоских снежинок существует и особый класс ледяных кристалликов, напоминающих скорее какие-то пространственные, даже архитектурные, образования.

В фигурах на рис. 5.5 читатель сам легко узнает колонны, увенчанные плоскими капителями, прямоугольные блоки и даже какие-то солнечные часы, образованные ледяными структурами. Снежинки этих сверхсложных форм возникают только при необычных атмосферных условиях, например, при очень низкой температуре, и Накая с сотрудниками стал старательно изучать экспериментально образование этих нестандартных объектов. Например, при очень низких температурах в струе воздуха повышенной влажности они научились выращивать снежинки в виде пряди кроличьего меха и т. п.