I någon till synes tyst damm vrimlar det stilla vattnet faktiskt av små dammbor som kallas Euglena gracilis. Osynlig för blotta ögat, den encelliga organismen spiraler genom vattnet, drog längs en relativt rak väg av en piskliknande bilaga på jakt efter precis rätt ljusnivå.

Men ett nytt papper publicerades den 24 september Naturfysik beskriver hur, under vissa omständigheter, Euglena stoppar sina framsteg och börjar spåra ut genomarbetade polygoner moturs - trianglar, rutor, femkanter - i ett matematiskt definierat försök att hitta en bättre miljö.

Upptäckten, ledd av Ingmar Riedel-Kruse, biträdande professor i bioingenjör vid Stanford University, kan hjälpa forskare att utforma små simrobotar i framtiden för att bli mer effektiva och effektiva vid manövrering genom blodomloppet, till exempel, eller navigera i vattniga miljöer.

"Vi försöker förstå biologiska system på ett matematiskt sätt, "Riedel-Kruse sa." Till synes enkla återkopplingsslingor i enstaka celler kan faktiskt generera ganska komplexa beteenden för att utföra olika uppgifter. "

Väl studerad organism

Forskare på 1800 -talet förundrade sig en gång över att hitta Euglena - en grönaktig avlång med en röd ögonfläck och lång, whiplike flagellum för simning - under mikroskop. Sedan dess, organismen har observerats av otaliga generationer av biologistudenter. Med en sådan historia av att bli bevakad, det kom som en överraskning när postdoktor Alan Tsang först märkte Euglenas nya beteende i en datormodell som han hade utvecklat för att studera hur det rör sig i förhållande till ljus. I hans modell, när han simulerade ökat ljus, organismen började spåra polygoner.

Riedel-Kruse mindes att han var skeptisk när Tsang först beskrev vad hans modell förutspådde.

"Det var svårt att tro att det är sant, "Sa Riedel-Kruse." Jag trodde att det var något fel med koden. "Men när paret kontrollerade under mikroskopet-ökande ljusnivåer som i simuleringen-fanns det polygoner.

Formerna är ett resultat av hur Euglena navigerar i världen. Eftersom organismen normalt rullar genom vattnet på sin långa axel, ögonspetsen roterar för att mäta 360 grader av ljus. Under stabila ljusförhållanden - vilket är normalt under ett mikroskop - slingrar det sig längs en relativt rak väg.

Dock, Tsang sa, om ögonspetsen upptäcker ökad ljusintensitet, Euglena gör en hård sväng.

"Då ser de inte ljuset och de simmar rakt igen, "Sa Riedel-Kruse." Men eftersom de fortsätter rulla, sedan efter en hel cykel ser de igen det starka ljuset så att de gör ytterligare en stark sidovändning. "

Tillräckligt med raka linjer följt av skarpa svängar och en triangel föds.

Tsang märkte att under cirka 30 sekunder, Euglena anpassade sig till det starkare ljuset och svängarna blev mindre skarpa, skapa ständigt expanderande polygoner-rutor, sedan femkanter - tills, till sist, Euglena gick i en relativt rak linje.

Varför ingen hade sett detta förut, Riedel-Kruse sa att människor sällan ändrar ljusnivåer medan de observerar Euglena under ett mikroskop. Men eftersom Tsang specifikt försökte modellera hur organismen rör sig i förhållande till ljus, han gjorde något ovanligt och beteendet dök upp.

Ett nytt beteende

Riedel-Kruse hävdade att beteendet är vettigt för en Euglena som simmar i en damm under en bekväm skugga. När det plötsligt stöter på starkt solljus kan det snabbt vända sig för att leta efter en nyans. Genom att sakta gå utåt om de första svängarna inte fungerade, Euglena ökar sina chanser att så småningom ta sig ur solljuset.

Riedel-Kruses laboratorium studerar Euglena delvis för att bättre förstå hur mikroorganismer navigerar i deras vattniga världar. Forskarna integrerar också det de lär sig om Euglena i interaktiva biologiska inställningar för utbildning. Euglena är en ovanlig organism som både kan göra sin egen mat och äta vad den hittar i vattnet. Det är relaterat till växter, djur och svampar - alla kända som eukaryoter - men är en separat grupp med några unika egenskaper.

"Eftersom det är en del av en utgrupp till det mest eukaryota livet, du kan lära dig något som är allmänt, och du kan också ta reda på hur olika eukaryotiskt liv kan vara, "Sa Riedel-Kruse." Det gör Euglena riktigt intressant för mig. "

Vad mer, Riedel-Kruse och Tsang sa att det de lär sig-och de matematiska modeller de utvecklat-kan vara användbart för mikroskala robotik.

"Det finns ett växande område där människor försöker konstruera och programmera mikroskopisk svärmrobotik för saker som mikrokirurgi eller läkemedelsleverans, "Sa Tsang." Jag ser definitivt människor som letar efter effektiva kontrollmekanismer i mikroskala. "