211service.com
Het merkwaardige geval van kakkerlakmagnetisatie
Vogels zijn het bekendste voorbeeld van wezens die magnetische velden kunnen voelen en gebruiken voor oriëntatie en navigatie. Minder bekend zijn de magneto-senserende vermogens van Amerikaanse kakkerlakken, die snel worden gemagnetiseerd wanneer ze in een magnetisch veld worden geplaatst.
Hoe deze wezens dit vermogen precies gebruiken, is het onderwerp van veel speculatie. Maar er is algemene overeenstemming dat een beter begrip van biomagnetische detectie ingenieurs zou kunnen helpen bij het ontwerpen van betere sensoren voor andere toepassingen, zoals microrobotnavigatie.
Maar voordat dat kan gebeuren, moeten ingenieurs een veel beter begrip hebben van hoe kakkerlakken magnetische velden voelen en hoe ze zelf gemagnetiseerd worden.
Betreed Ling-Jun Kong aan de Nanyang Technological University in Singapore en een paar vrienden die hebben gemeten hoe Amerikaanse kakkerlakken worden gemagnetiseerd. Daarbij hebben ze een opmerkelijke ontdekking gedaan: het blijkt dat de magnetische eigenschappen van levende kakkerlakken opvallend verschillen van die van dode kakkerlakken. En ze denken te weten waarom.
De experimenten zijn eenvoudig. Kong en co plaatsten een reeks levende en dode kakkerlakken in een magnetisch veld van 1,5 kiloGauss; dat is ongeveer 100 keer sterker dan een koelkastmagneet. Het team liet de wezens 20 minuten in het veld en mat toen hoe sterk ze waren gemagnetiseerd en hoe lang het duurde voordat deze magnetisatie wegviel.
De resultaten zorgen voor interessante lectuur. Het team kon gemakkelijk het magnetische veld meten dat verband houdt met alle kakkerlakken, levend of dood, zodra ze uit het externe veld kwamen. Het veld dat met levende kakkerlakken wordt geassocieerd, verloederde toen in ongeveer 50 minuten. Daarentegen duurde het bijna 50 uur voordat het veld verging in dode kakkerlakken.
Dat roept een voor de hand liggende vraag op: waarom het verschil? Kong en co hebben een wiskundig model van magnetisatie gemaakt om met het antwoord te komen. Ze gaan ervan uit dat magnetisatie het resultaat is van magnetische deeltjes in de kakkerlakken die zich uitlijnen met het externe magnetische veld. Wanneer verwijderd uit het externe veld, vervalt de magnetisatie omdat Brownse beweging ervoor zorgt dat de magnetische deeltjes weer willekeurig worden uitgelijnd.
Maar ze onderzoeken ook hoe de tijd die dit kost varieert naargelang de viscositeit van het medium waarin de deeltjes gevangen zitten. Ze laten zien dat de vervaltijd toeneemt naarmate de viscositeit van dit medium toeneemt en glaziger wordt.
Dit suggereert een antwoord op het raadsel. Kakkerlakken worden gemagnetiseerd omdat ze magnetische deeltjes bevatten die worden uitgelijnd met een extern magnetisch veld. Deze deeltjes worden gevangen in een vloeibaar medium dat een lage viscositeit heeft in levende kakkerlakken. Maar zodra de wezens sterven, begint het medium uit te harden en neemt de viscositeit toe. Dat is wat ervoor zorgt dat de vervaltijd toeneemt.
Dat is interessant werk dat helpt bij het beantwoorden van enkele belangrijke vragen over de manier waarop kakkerlakken omgaan met externe magnetische velden. Maar het laat veel mysteries achter.
Ten eerste is de vraag naar de aard van de magnetische deeltjes - wat zijn ze? Biologen hebben minuscule deeltjes van het magnetische mineraal greigiet (een soort ijzersulfide) gevonden in mieren, bijen en termieten.
Het kan dus zijn dat kakkerlakken ook deeltjes greigiet bevatten. De resultaten van Kong en co zijn inderdaad compatibel met de aanwezigheid van greigietdeeltjes met een straal van 50 nanometer of zo, maar de resultaten sluiten de aanwezigheid van verwante magnetische mineralen zoals magnetiet uit.
Een andere vraag is waar dergelijke deeltjes vandaan kunnen komen. Zijn het verontreinigingen die door de kakkerlakken uit hun omgeving worden opgepikt of zijn ze biogeen, gevormd door een biologisch proces in de kakkerlakken zelf? Kong en co kunnen hier geen antwoord op geven.
Ze kunnen echter enig licht werpen op hoe kakkerlakken dit soort magnetisatie kunnen gebruiken. Ze zeggen dat de vervaltijd van 50 minuten bij levende kakkerlakken te langzaam is om biologisch bruikbaar te zijn. Onze gegevens en ons model laten zien dat deze magnetische deeltjes niet verantwoordelijk kunnen zijn voor magnetische waarneming, zeggen ze.
Dus als kakkerlakken gebruikmaken van magnetische detectie, moeten ze een ander mechanisme gebruiken. De belangrijkste kanshebber hier is het radicalenpaarmechanisme waarbij een magnetisch veld de uitkomst van een chemische reactie beïnvloedt.
Veel biofysici beschouwen dit als het enige mechanisme dat levende wezens realistisch kan beïnvloeden op een tijdschaal die biologisch nuttig kan zijn. Misschien gebruiken kakkerlakken dit ook. Ons experiment biedt ondersteuning voor andere vormen van magneto-ontvangst, b.v. het radical-pair-mechanisme, zeggen Kong en co.
Dat is interessant werk dat een opstap zal zijn naar een beter begrip van biosensing van magnetische velden en om dit vermogen te benutten in toekomstige generaties sensoren.
Referentie: arxiv.org/abs/1702.00538 : In-vivo biomagnetische karakterisering van de Amerikaanse kakkerlak