Damboere kaldet Euglena svømmer i polygoner for at undgå lys

I enhver tilsyneladende stille dam vrimler det stille vand faktisk med små dambeboere kaldet Euglena gracilis. Usynligt med det blotte øje, den encellede organisme spiraler gennem vandet, trukket langs en forholdsvis lige vej af et pisklignende vedhæng på jagt efter det helt rigtige lysniveau.

Men et nyt blad udgivet 24. september i Naturfysik beskriver hvordan, under nogle omstændigheder, Euglena standser sit fremadskridende fremskridt og begynder at spore udførlige polygoner mod uret – trekanter, firkanter, femkanter – i en matematisk defineret indsats for at finde et bedre miljø.

Opdagelsen, ledet af Ingmar Riedel-Kruse, assisterende professor i bioteknik ved Stanford University, kunne hjælpe videnskabsmænd med at designe fremtidens små svømmerobotter for at være mere effektive til at manøvrere gennem blodbanen, for eksempel, eller navigere i vandfyldte miljøer.

"Vi forsøger at forstå biologiske systemer på en matematisk måde, Riedel-Kruse sagde. "Tilsyneladende simple feedback-loops i enkelte celler kan faktisk generere ret kompleks adfærd for at udføre forskellige opgaver."

Godt undersøgt organisme

Forskere i 1800-tallet undrede sig engang over at finde Euglena - en grønlig aflang med en rød øjenplet og lang, piskelignende flagel til svømning - under et mikroskop. Siden da, organismen er blevet observeret af utallige generationer af biologistuderende. Med sådan en historie om at blive overvåget, det kom som en overraskelse, da postdoc Alan Tsang første gang bemærkede Euglenas nye adfærd i en computermodel, han havde udviklet for at studere, hvordan den bevæger sig i forhold til lys. I hans model, da han simulerede øget lys, organismen begyndte at spore polygoner.

Riedel-Kruse huskede at være skeptisk, da Tsang første gang beskrev, hvad hans model forudsagde.

"Det var svært at tro, at det er sandt, " sagde Riedel-Kruse. "Jeg troede, der var noget galt med koden." Men da parret tjekkede under mikroskopet - stigende lysniveauer som i simuleringen - var der polygonerne.

Formerne er et resultat af, hvordan Euglena navigerer i verden. Fordi organismen normalt ruller gennem vandet på sin lange akse, øjepletten roterer for at overvåge 360 ​​graders lys. Under konstante lysforhold - hvilket er normalt under et mikroskop - bugter det sig i en forholdsvis lige vej.

Imidlertid, Tsang sagde, hvis øjenpletten registrerer øget lysintensitet, Euglenaen gør et hårdt sving.

"Så ser de ikke lyset, og de svømmer lige igen, " sagde Riedel-Kruse. "Men da de bliver ved med at rulle, så efter en hel cyklus ser de igen det stærke lys, så de foretager endnu en kraftig sidevending."

Nok lige linjer efterfulgt af skarpe sving og en trekant er født.

Tsang bemærkede, at i løbet af omkring 30 sekunder, Euglena tilpassede sig det stærkere lys og svingene blev mindre skarpe, skabe stadigt ekspanderende polygoner – firkanter, derefter femkanter – indtil, endelig, Euglena gik i en forholdsvis lige linje.

Med hensyn til hvorfor ingen havde set dette før, Riedel-Kruse sagde, at folk sjældent ændrer lysniveauet, mens de observerer Euglena under et mikroskop. Men da Tsang specifikt forsøgte at modellere, hvordan organismen bevæger sig i forhold til lys, han gjorde noget usædvanligt, og adfærden viste sig.

En ny adfærd

Riedel-Kruse argumenterede for, at adfærden giver mening for en Euglena, der svømmer med i en dam under en behagelig kilde til skygge. Når den pludselig møder skarpt sollys, kan den hurtigt vende sig for at søge en plet af skygge. Ved langsomt at spiralere udad, hvis de første par drejninger ikke virkede, Euglena øger sine chancer for til sidst at komme ud af sollys.

Riedel-Kruses laboratorium studerer Euglena til dels for bedre at forstå, hvordan mikroorganismer navigerer i deres vandige verdener. Forskerne integrerer også det, de lærer om Euglena, i interaktive biologiopstillinger til uddannelse. Euglena er en usædvanlig organisme, der både kan lave sin egen mad og spise, hvad den finder i vandet. Det er relateret til planter, dyr og svampe – alle kendt som eukaryoter – men er en separat gruppe med nogle unikke egenskaber.

"Fordi det er en del af en udgruppe til det meste eukaryote liv, du kan lære noget, der er generelt, og du kan også finde ud af, hvor forskelligartet eukaryot liv kan være, " sagde Riedel-Kruse. "Det gør Euglena virkelig interessant for mig."

Hvad mere er, Riedel-Kruse og Tsang sagde, at det, de lærer – og de matematiske modeller, de udviklede – kunne være nyttige til robotteknologi i mikroskala.

"Der er et spirende felt, hvor folk forsøger at konstruere og programmere mikroskopisk sværmrobotik til ting som mikrokirurgi eller medicinudlevering, " sagde Tsang. "Jeg ser helt sikkert folk, der leder efter effektive kontrolmekanismer på mikroskalaen."