Ciekawy przypadek namagnesowania karaluchów

Najbardziej znanym przykładem stworzeń, które potrafią wyczuwać pola magnetyczne i wykorzystywać je do orientacji i nawigacji, są ptaki. Mniej znane są zdolności magnetoczujne karaluchów amerykańskich, które szybko ulegają namagnesowaniu po umieszczeniu w polu magnetycznym.

To, jak te stworzenia wykorzystują tę zdolność, jest przedmiotem wielu spekulacji. Istnieje jednak ogólna zgoda, że ​​lepsze zrozumienie wykrywania biomagnetycznego może pomóc inżynierom w projektowaniu lepszych czujników do innych zastosowań, takich jak nawigacja mikrorobotami.

Ale zanim to się stanie, inżynierowie będą potrzebować znacznie lepszego zrozumienia, w jaki sposób karaluchy wyczuwają pola magnetyczne i jak same się namagnesowują.

Wchodzi Ling-Jun Kong z Uniwersytetu Technologicznego Nanyang w Singapurze i kilku kumpli, którzy zmierzyli sposób, w jaki amerykańskie karaluchy zostają namagnesowane. W trakcie tego procesu dokonali niezwykłego odkrycia – okazuje się, że właściwości magnetyczne żywych karaluchów są uderzająco różne od właściwości karaluchów martwych. I myślą, że wiedzą dlaczego.

Eksperymenty są proste. Kong i spółka umieścili serię żywych i martwych karaluchów w polu magnetycznym 1,5 kilogauss; to około 100 razy silniejsze niż magnes na lodówkę. Zespół zostawił stworzenia w terenie na 20 minut, a następnie zmierzył, jak silnie zostały namagnesowane i ile czasu zajęło rozpadowi tego namagnesowania.

Wyniki stanowią ciekawą lekturę. Zespół mógł z łatwością zmierzyć pole magnetyczne związane ze wszystkimi karaluchami, żywymi lub martwymi, gdy tylko wyjdą z pola zewnętrznego. Pole, na którym żyją karaluchy, uległo rozkładowi w ciągu około 50 minut. W przeciwieństwie do tego, pole rozpadło się w martwych karaluchach prawie 50 godzin.

Rodzi to oczywiste pytanie: dlaczego różnica? Kong i spółka stworzyli matematyczny model namagnesowania, aby znaleźć odpowiedź. Zakładają, że namagnesowanie jest wynikiem tego, że cząsteczki magnetyczne wewnątrz karaluchów ustawiają się zgodnie z zewnętrznym polem magnetycznym. Po usunięciu z pola zewnętrznego namagnesowanie zanika, ponieważ ruchy Browna powodują, że cząstki magnetyczne ponownie zostają losowo wyrównane.

Ale badają również, jak czas, który to zajmuje, zmienia się w zależności od lepkości ośrodka, w którym uwięzione są cząstki. Pokazują, że czas rozpadu wzrasta wraz ze wzrostem lepkości tego ośrodka i staje się bardziej szklisty.

To sugeruje odpowiedź na zagadkę. Karaluchy zostają namagnesowane, ponieważ zawierają cząsteczki magnetyczne, które ustawiają się w linii z zewnętrznym polem magnetycznym. Cząsteczki te są uwięzione w płynnym medium, które ma niską lepkość w żywych karaluchach. Ale gdy tylko stworzenia umierają, medium zaczyna twardnieć, a jego lepkość wzrasta. To właśnie powoduje wzrost czasu rozpadu.

To interesująca praca, która pomaga odpowiedzieć na kilka ważnych pytań dotyczących interakcji karaluchów z zewnętrznymi polami magnetycznymi. Ale pozostawia wiele tajemnic.

Pierwszym z nich jest pytanie o naturę cząstek magnetycznych – czym one są? Biolodzy odkryli maleńkie cząsteczki magnetycznego mineralnego greigitu (rodzaj siarczku żelaza) u mrówek, pszczół i termitów.

Może się więc zdarzyć, że karaluchy zawierają również cząstki greigitu. Rzeczywiście, wyniki Konga i Co są zgodne z obecnością cząstek greigitu o promieniu około 50 nanometrów, ale wyniki wykluczają obecność pokrewnych minerałów magnetycznych, takich jak magnetyt.

Kolejne pytanie brzmi, skąd takie cząstki mogą pochodzić. Czy są to zanieczyszczenia wychwytywane przez karaluchy z ich otoczenia, czy też są biogeniczne, powstałe w wyniku procesu biologicznego wewnątrz samych karaluchów? Kong i spółka nie są w stanie odpowiedzieć na to pytanie.

Mogą jednak rzucić nieco światła na to, jak karaluchy mogą wykorzystywać ten rodzaj namagnesowania. Mówią, że 50-minutowy czas rozkładu żywych karaluchów jest zbyt wolny, aby mieć jakiekolwiek biologiczne zastosowanie. Nasze dane i model pokazują, że te magnetyczne cząstki nie mogą być odpowiedzialne za wykrywanie magnetyczne.

Więc jeśli karaluchy wykorzystują wykrywanie magnetyczne, muszą użyć jakiegoś innego mechanizmu. Wiodącym konkurentem jest tutaj mechanizm pary rodników, w którym pole magnetyczne wpływa na wynik reakcji chemicznej.

Wielu biofizyków uważa, że ​​jest to jedyny mechanizm, który może realistycznie wpływać na żywe stworzenia w skali czasu, która może być biologicznie użyteczna. Być może karaluchy też tego używają. Nasz eksperyment wspiera inne formy magnetorecepcji, m.in. mechanizm pary rodników, powiedzmy Kong i spółka.

To interesująca praca, która będzie odskocznią do lepszego zrozumienia biodetekcji pól magnetycznych i wykorzystania tej zdolności w przyszłych generacjach czujników.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1702.00538 : Charakterystyka biomagnetyczna in-vivo amerykańskiego karalucha

ukryć