Det märkliga fallet med kackerlackamagnetisering

Fåglar är det mest kända exemplet på varelser som kan känna av magnetfält och använda dem för orientering och navigering. Mindre kända är de amerikanska kackerlackornas magnetoavkännande förmågor, som snabbt blir magnetiserade när de placeras i ett magnetfält.

Hur dessa varelser använder denna förmåga är föremål för många spekulationer. Men det råder allmän enighet om att en bättre förståelse för biomagnetisk avkänning skulle kunna hjälpa ingenjörer att designa bättre sensorer för andra applikationer, såsom mikrorobotnavigering.

Men innan det kan hända kommer ingenjörer att behöva en mycket bättre förståelse för hur kackerlackor känner av magnetfält och hur de själva blir magnetiserade.

Gå in i Ling-Jun Kong vid Nanyang Technological University i Singapore och några kompisar som har mätt hur amerikanska kackerlackor blir magnetiserade. I processen har de gjort en anmärkningsvärd upptäckt - det visar sig att de magnetiska egenskaperna hos levande kackerlackor är slående annorlunda från döda kackerlackor. Och de tror att de vet varför.

Experimenten är enkla. Kong och co placerade en serie levande och döda kackerlackor i ett magnetfält på 1,5 kiloGauss; det är ungefär 100 gånger starkare än en kylskåpsmagnet. Teamet lämnade varelserna i fältet i 20 minuter och mätte sedan hur starkt de hade blivit magnetiserade och hur lång tid det tog för denna magnetisering att avta.

Resultaten ger intressant läsning. Teamet kunde enkelt mäta det magnetiska fältet som är associerat med alla kackerlackor, levande eller döda, så snart de kom ut ur det yttre fältet. Fältet förknippat med levande kackerlackor förföll sedan på cirka 50 minuter. Däremot tog det nästan 50 timmar för fältet att förmultna i döda kackerlackor.

Det väcker en uppenbar fråga: varför är skillnaden? Kong och co har skapat en matematisk modell för magnetisering för att komma fram till svaret. De antar att magnetisering är resultatet av att magnetiska partiklar inuti kackerlackorna anpassar sig efter det yttre magnetfältet. När den tas bort från det yttre fältet avtar magnetiseringen eftersom Brownsk rörelse gör att de magnetiska partiklarna blir slumpmässigt inriktade igen.

Men de undersöker också hur tiden detta tar varierar beroende på viskositeten i mediet partiklarna är fångade i. De visar att sönderfallstiden ökar när viskositeten i detta medium ökar och blir mer glasartad.

Detta föreslår ett svar på gåtan. Kackerlackor blir magnetiserade eftersom de innehåller magnetiska partiklar som blir i linje med ett externt magnetfält. Dessa partiklar fångas i ett rinnande medium som har låg viskositet i levande kackerlackor. Men så fort varelserna dör börjar mediet härda och dess viskositet ökar. Det är det som gör att förfallstiden ökar.

Det är intressant arbete som hjälper till att svara på några viktiga frågor om hur kackerlackor interagerar med externa magnetfält. Men det lämnar massor av mysterier.

Först är frågan om de magnetiska partiklarnas natur - vilka är de? Biologer har hittat små partiklar av det magnetiska mineralet greigit (en typ av järnsulfid) i myror, bin och termiter.

Så det kan vara så att kackerlackor också innehåller partiklar av greigit. Faktum är att Kong och cos resultat är kompatibla med närvaron av greigitpartiklar med en radie på 50 nanometer eller så, men resultaten utesluter närvaron av relaterade magnetiska mineraler som magnetit.

En annan fråga är var sådana partiklar kan komma ifrån. Är de föroreningar som plockas upp av kackerlackorna från deras miljö eller är de biogena, bildade av en biologisk process inuti kackerlackorna själva? Kong och co kan inte svara på detta.

Men de kan kasta lite ljus över hur kackerlackor kan använda denna typ av magnetisering. De säger att sönderfallstiden på 50 minuter hos levande kackerlackor är för långsam för att vara till någon biologisk nytta. Vår data och modell visar att dessa magnetiska partiklar inte kan vara ansvariga för magnetisk avkänning, säger de.

Så om kackerlackor utnyttjar magnetisk avkänning måste de använda någon annan mekanism. Den ledande utmanaren här är radikalparmekanismen där ett magnetfält påverkar resultatet av en kemisk reaktion.

Många biofysiker anser att detta är den enda mekanismen som realistiskt kan påverka levande varelser på en tidsskala som kan vara biologiskt användbar. Kanske använder kackerlackor detta också. Vårt experiment ger stöd för andra former av magneto-mottagning, t.ex. radikal-par-mekanismen, säger Kong och co.

Det är intressant arbete som kommer att vara ett språngbräde för att bättre förstå biosensing av magnetiska fält och att utnyttja denna förmåga i framtida generationer av sensorer.

Ref: arxiv.org/abs/1702.00538 : In-vivo biomagnetisk karaktärisering av den amerikanska kackerlackan

Dölj