In elke schijnbaar stille vijver wemelt het van de stille wateren met kleine vijverbewoners die Euglena gracilis worden genoemd. Ongezien met het blote oog, het eencellige organisme spiralen door het water, langs een relatief recht pad getrokken door een zweepachtig aanhangsel op zoek naar precies het juiste lichtniveau.

Maar een nieuw artikel gepubliceerd op 24 september in Natuurfysica beschrijft hoe, onder bepaalde omstandigheden, Euglena stopt zijn voorwaartse voortgang en begint ingewikkelde polygonen tegen de klok in op te sporen - driehoeken, vierkanten, vijfhoeken - in een wiskundig gedefinieerde poging om een ​​beter milieu te vinden.

De vondst, onder leiding van Ingmar Riedel-Kruse, assistent-professor bio-engineering aan de Stanford University, zou wetenschappers kunnen helpen bij het ontwerpen van kleine zwemrobots van de toekomst om efficiënter en effectiever door de bloedbaan te manoeuvreren, bijvoorbeeld, of navigeren in waterige omgevingen.

"We proberen biologische systemen op een wiskundige manier te begrijpen, "Zei Riedel-Kruse. "Schijnbaar eenvoudige feedbackloops in afzonderlijke cellen kunnen in feite vrij complex gedrag genereren om verschillende taken uit te voeren."

Goed bestudeerd organisme

Wetenschappers in de jaren 1800 verwonderden zich ooit over het vinden van Euglena - een groenachtige langwerpige met een rode oogvlek en lange, zweepachtig flagellum om te zwemmen - onder een microscoop. Vanaf dat moment, het organisme is waargenomen door talloze generaties biologiestudenten. Met zo'n geschiedenis van bekeken worden, het kwam als een verrassing toen postdoctoraal onderzoeker Alan Tsang voor het eerst Euglena's nieuwe gedrag opmerkte in een computermodel dat hij had ontwikkeld om te bestuderen hoe het beweegt in relatie tot licht. In zijn model toen hij meer licht simuleerde, het organisme begon polygonen op te sporen.

Riedel-Kruse herinnerde zich dat hij sceptisch was toen Tsang voor het eerst beschreef wat zijn model voorspelde.

"Het was moeilijk te geloven dat het waar is, " zei Riedel-Kruse. "Ik dacht dat er iets mis was met de code." Maar toen het paar onder de microscoop controleerde - toenemende lichtniveaus zoals in de simulatie - waren er de polygonen.

De vormen zijn het resultaat van hoe Euglena door de wereld navigeert. Omdat het organisme normaal gesproken om zijn lange as door het water rolt, de eyespot draait om 360 graden licht te onderzoeken. Bij constant licht - wat normaal is onder een microscoop - kronkelt het langs een relatief recht pad.

Echter, Tsang zei, als de oogvlek een verhoogde lichtintensiteit detecteert, de Euglena maakt een harde bocht.

"Dan zien ze het licht niet en zwemmen ze weer rechtdoor, " zei Riedel-Kruse. "Maar aangezien ze blijven rollen, dan zien ze na een volledige cyclus weer het sterke licht, dus maken ze nog een sterke zijwaartse draai."

Genoeg rechte lijnen gevolgd door scherpe bochten en een driehoek is geboren.

Tsang merkte op dat in de loop van ongeveer 30 seconden, Euglena paste zich aan aan het sterkere licht en de bochten werden minder scherp, het creëren van steeds groter wordende polygonen – vierkanten, dan vijfhoeken - totdat, Tenslotte, de Euglena ging in een relatief rechte lijn.

Wat betreft waarom niemand dit eerder had gezien, Riedel-Kruse zei dat mensen zelden de lichtniveaus veranderen terwijl ze Euglena onder een microscoop observeren. Maar aangezien Tsang specifiek probeerde te modelleren hoe het organisme beweegt in relatie tot licht, hij deed iets ongewoons en het gedrag verscheen.

Een nieuw gedrag

Riedel-Kruse voerde aan dat het gedrag logisch is voor een Euglena die in een vijver onder een comfortabele schaduwbron zwemt. Wanneer hij plotseling fel zonlicht tegenkomt, kan hij snel draaien om een ​​plekje in de schaduw te zoeken. Door langzaam naar buiten te draaien als de eerste paar beurten niet werkten, de Euglena vergroot zijn kansen om uiteindelijk uit het zonlicht te komen.

Het laboratorium van Riedel-Kruse bestudeert Euglena gedeeltelijk om beter te begrijpen hoe micro-organismen door hun waterige werelden navigeren. De onderzoekers integreren wat ze leren over Euglena ook in interactieve biologieopstellingen voor het onderwijs. Euglena is een ongewoon organisme dat zowel zijn eigen voedsel kan maken als kan eten wat het in het water vindt. Het heeft te maken met planten, dieren en schimmels - allemaal bekend als eukaryoten - maar is een aparte groep met enkele unieke kenmerken.

"Omdat het deel uitmaakt van een outgroup van het meeste eukaryote leven, je zou iets kunnen leren dat algemeen is, en je kunt ook ontdekken hoe divers het eukaryote leven kan zijn, "Zei Riedel-Kruse. "Dat maakt Euglena echt interessant voor mij."

Bovendien, Riedel-Kruse en Tsang zeiden dat wat ze leren - en de wiskundige modellen die ze ontwikkelden - nuttig zou kunnen zijn voor robotica op microschaal.

"Er is een opkomend veld waar mensen proberen microscopische zwermrobotica te ontwikkelen en te programmeren voor zaken als microchirurgie of het toedienen van medicijnen, " zei Tsang. "Ik zie zeker mensen op zoek naar efficiënte controlemechanismen op microschaal."