Om heiming og virrevandring

I dag fikk jeg lyst til å skrive om kjemotaksis! Hvordan sniffer vi oss fram?

nettsnegl2 Jeg har et lite saltvannsakvarium med norske dyr. Nettsnegler (Nassarius reticulatus) som jeg fanget i fjæra på Bygdøy spiser åtsler og er fine rengjøringshjelper. De ligger vanligvis begravet i sanden, med en lang snabel (sifo) rett opp i været. Det er ikke så lett å fotografere i et akvarium, men jeg prøvde:

Nettsnegl med sifo i været. Foto Ø.H.

Når jeg slipper oppi en fiskebit, stiger sneglen opp av sanden som i en zombie-film. Og så begynner en underlig dans. Først veiver sifoen rundt i en sirkelbevegelse. Ganske snart plukker sneglen opp lukten, strekker sifoen mot maten, og farer av gårde. Orienteringsevnen er imponerende – en bitteliten fiskebit på motsatt side av akvariet peiles inn raskt og presist.

Sånt er jo moro å se på. Men hva er det egentlig som skjer her – hvordan finner sneglen retningen? Hvis vi ser bort fra vannstrøm, så vil luktkilden frigi molekyler som langsomt diffuserer utover. Konsentrasjonen vil avta med avstanden. Kilden kan da peiles inn ved å finne gradienten til konsentrasjonsfeltet, altså at sneglen finner den retningen hvor luktstyrken øker raskest. Dette blir litt sånn partielle differensiallikninger og sånt da.

Problemet er at hvis kilden er langt unna i forhold til størrelsen på sneglen, da ser sneglen en svært liten endring i luktstyrke over sin egen størrelsesskala. Så da må den måle konsentrasjonen ytterst presist for å finne gradienten. Jeg husker da Mosselukta kom inn over Oslo på tåkete dager – det var umulig å kjenne hvilken retning lukten kom fra, for kilden var så langt borte. Der har nettsneglen en fordel: Med den lange, bevegelige sifoen kan den prøveta vannet over et større område, slik at konsentrasjonsforskjellen blir større. Hunder gjør noe av det samme tror jeg, de beveger hodet litt fram og tilbake og sniffer i ulike posisjoner.

Det er ganske sterk strøm i akvariet mitt, og det ødelegger nok det diffusive konsentrasjonsfeltet ganske grundig. Så det kan hende at sneglene mine tenker at hvis de lukter mat, må det være fordi strømmen har brakt lukten mot dem. Og så går de rett og slett motstrøms (”reotaksis”). Jeg tipper at de kan bytte strategi litt sånn. Jeg har ikke funnet noe særlig litteratur på det, så her bør det forskes! (For ordens skyld: Forsøk med snegler er ikke omfattet av Dyrevernloven).

Tampen brenner!

Kjemotaksis er uhyre viktig for enkeltceller og bakterier. De er jo rimelig blinde, og bruker lukt for å finne mat. De hvite blodcellene lukter seg fram til fremmedlegemer, så du er avhengig av kjemotaksis for å holde deg frisk. Og når celler grupperer seg under fosterutviklingen, ja da lukter de seg fram de også. Hvordan finner de gradienten? Dette er et spennende problem som har holdt forskere i sving i mange år. Celler med cellekjerne er såpass store at de kan merke forskjellen i signalstyrke fra reseptorer plassert rundt hele cellen. Men en bakterie er for liten. Den må flytte seg rundt for å finne ut i hvilken retning lukten blir sterkere.

Akkurat som ”Tampen brenner”. Du skal finne en godtepose, og alt du har å gå etter er om det blir ”varmere” eller ”kaldere” når du nærmer eller fjerner deg. Vi mennesker kan pønske ut en effektiv søkestrategi (noen forslag?). Men bakterier er veldig, veldig dumme, og må nøye seg med metoder som kan virke latterlige. Her er en algoritme som følges av mange bakterier:

  1. Spinn rundt en stund på samme sted, til du peker i en ”tilfeldig” retning.
  2. Gå rett fram. Hvis lukten blir sterkere, fortsetter du i samme retning en stund, hvis ikke, så går du (sannsynligvis) et kortere stykke. Begynn så på nytt fra punkt 1.

Dette resulterer i en slags virrevandring (Brownsk bevegelse), nesten som molekyler beveger seg i en gass, med den forskjellen at sannsynlighetene er vektet i retning mot gradienten.  Merk at under punkt 1 velges den nye retningen tilfeldig, selv om bakterien allerede har vært på vei mot kilden. Det kan godt hende at dette gir bevegelse i feil retning, men det vil altså bli en kortere vandring.

Sånt får det til å klø i fingrene for dem som liker datasimulering. Se her for eksempel.

6 comments

  1. AnneS · februar 24, 2013

    Morsom tekst og morsomme norske begreper. Men vil du si at heiming er det samme som kjemotaksis? Håper det er Ok hvis jeg stjeler bildet ditt med Tampen brenner for et liknende blogginnlegg om kjemotakse i immunsystemet?

    • Øyvind Hammer · februar 24, 2013

      Hei, så morsomt, ta bilder for all del! Nei «heiming» bruker jeg i bred forstand – er det ikke et militært begrep i forbindelse med varmesøkende missiler og sånt? Og kanskje det heter kjemotakse ja, ikke kjemotaksis? Eller kjemotaksi?

  2. Carbomontanus · februar 24, 2013

    Jassågitt!

    Dr.Hammer:

    Det er et fag som heter biofysikk, Jeg var der og de har alvorlige vansker med å finne noe heller vettugt å drive med, men så endelig etter mange år kom det på Discovery- channel at noen engelske biofysikere hadde stusset ved hvorfor så ulike stoffer som blåsyre, nitrobenzen benzaldehyd og nok et stoff jeg ikke husker, alle sammen lukter bitre mandler. Og hadde tatt IR- spektrum. Steika, IR- spektrene viste seg å ha visse fellestrekk.

    Men så er det de to stoffene thymol og karve som kjemisk er nesten helt identiske lukter helt ulikt. Og fant at IR- spektrene er helt like bortsett fra en bestemt linje som mangler hos Karve. Men der hadde de et stoff som hadde den og bare den linjen, og det var et teflon.

    Så titrerte de thymol med dette lurium og fant ganske riktig at lukta endres suksessivt fra thymol til karve. Og ikke til å skille fra karve.

    Men for å være helt sikre dro de til Paris med en kuffert flasker og remedier og oppsøkte verdens fineste neser, parfyme- snuserne. Og gjorde test og doubble blind test etter alle kunstens regler med parfymesnusere på rad i båser uten adgang til å kommunisere med hverandre og som ikke visste hva det var i flaskene. Dette stemte suverent!

    Og parfymesnuserne var svært takknemlige, for nå ville de ha et meget bedre videnskabelig grep på faget sitt, og ville kunne komponere sine berømte parfymer av la oss si adskillig billigere råstoffer.

    Discoverychannel forklarte det ved at smaksknopper og duftsensorer og sånt er en cavitet som tar ett og ett molekyl til IR- spektrometrisk analyse, slik at tingene må ha de rette vibrasjoner you see.

    Og der har vi læra om døgnfluer og nattsvermere som snuser et nummer på opptil en kilometers avstand ved bare ett molekyl. En skal ikke undervurdere dyra. Vi har hatt bier og der går det på dronningens parfyme. De sitter og ventilerer på flyhullet med åpne klaffer på rompa for å spre parfymen.
    Myggen er også et insekt. Den har samme system med klaffer på rompa men går og på kammertonen Jfr:

    «….aaaaaAAAAAAAAAAAAAAAaaaaaaaaaaaa…..»

    som er svært stabil, ellers får den nemlig ikke nubb. Han- myggen stiller med stemmegafler på nesa. Men det må jo til, for når de skal ha seg så skjer det i lufta og da må vingene flakse coherent synkront ellers skjærer det seg. Insekter såsom bier ignorerer enhver høyrøstet tale over kubene om riktig birøkt men er svært varsomme for dårlig ånde for eksempel eller om man kakker og krafser i treverket. De hører med bena og sikkert og med vingene. Stemningen i kuben er viktig. Og dronene har egen lyd.

    Kuene står med nesa mot vinden så man kan spå været etter hvilken vei de står.

    Vannlopper lager piruetter på vannspeilet og kommuniserer segt imellom i flokk med kapillarbølger.

    Det sto i Readers Digest om en scientist som var falt i tanker om hvorfor varmt hvetebrød duftet som det gjør og er så salgbart. Han tok sin gasskromatograf og fant et pyridinderivat. Så fikk han dette syntetisert og på sprayboks med drivgass og solgt til bakerne. Som kunne spraye alle de gamle tørre rundstykkene med stoffet og spraye også ut døra og oppover og nedover fortauet i gata og trekke hele butikken full av kunder.

    Men jeg er blitt lurt. Vi skulle kjøpe bruktbil og jeg kjente det var en eim av ny bil inni enda og tenkte at her skal jeg gjøre et røverkjøp, han synes ikke helt å skjønne hva han selger, denne her er jo nesten som ny. Og betalte.

    Men selgeren visste nok hva han gjorde. Først senere fant jeg ut at det er plastikk- mykningsmidlet i nye biler, som man kan ha på boks og spraye inn i gamle biler for å få kunden til å bestemme seg raskere og kanskje også ta vesentlig høyere pris.

  3. KEE · februar 25, 2013

    Er det ikke rart at tilsynelatende banale, alt for enkle algoritmer er det som fremelskes gjennom millionvis av generasjoner med bakterieliv? Tydeligvis fungerer de godt nok, og bedre enn mulige alternativer. Hvorfor? La meg spekulere litt. Det er jo selvsagt et evolusjonært press mot den, innenfor hver generasjons «mulighetsrom», beste tilpasning. Vi vet det koster å lagre informasjon i arvemateriale- kortere beskjeder koster mindre å lage og mindre å lese av enn lange. Faren for trykkfeil og lesevansker minimeres. Et annet evolusjonært driv som kan ha innvirkning er at denne algoritmen er vidunderlig generell, avhengig som den er av ett sanseinntrykk og med bare to beskjeder: Gå langt eller gå kort. Oppholdene med spinningen er jo uavhengig av sanseinntrykk, men har en viktig funksjon- med disse iblandet de to lengdene er den pokka nødt til å etterhvert (egentlig ganske fort) treffe mål.
    Det finnes en del andre slike i bunnen enkle algoritmer som fungerer svært godt veldig på tvers av artgrenser: En stærflokk i flukt som avskjæres av en hauk kan sammenliknes med en stim sild som angripes av en rovfisk- balletten har sterke likhetstrekk. Vel verdt et syn begge to forøvrig.

  4. Carbomontanus · februar 26, 2013

    Vi kommer litt inn på Naturens orden her, særlig i hva KEE skriver, og det er et yndet, gammelt emne. «Naturens viselige innretning»

    Mitt gode råd er da at man ikke innbiller seg å være så klok og kjøre frem med den ene saliggjørende forklaring selvom den for øyeblikket synes å forklare alt iallefall det aller meste uansett hva man tar for seg. «God redskap gjør godt arbeid, sa skomakeren, han spiste suppa med sylen!» Og dette sa skomakeren fordi han var en uforbederlig fagidiot. Man skal nemlig bruke brede øser og sleiver og skjeer til brede supper. Det bør nemlig være en viss fenomenologisk congruens, likedannethet mellom videnskabelig forskningsmetode og tilnærmingsmåte, og forskningsobjekt eller materiale.

    Det gjaldt evolusjonsteorien. Er den så fruktbar og appliserbar bestandig, og er det ikke også muligheter forat den kan både misbrukes og brukes på altfor pedantisk og klønete måte der andre forkilaringer kan være adskillig mer interessante og effektive?

    Det kom et bilde en gang av en gekko som kunne klebe seg med fingrene på en glassrute på Forskning. no, og det er jo fenomenalt hvor mye den hånden ligner en menneskehånd. Og vi ser altså for og bakbein med fem fingre allerede hos amfibier. frosk og salamandere. Det er liksom en arketyp eller en formel som ligger der allerede svært tidlig i skaperverket. Har Gud allerede dengang hatt fremtidige vyer og planer om at vi skal kunne spille klaver? Eller er det bare vi som innbiller oss sånt?

    Og så er det en klar spiritualistisk tilsnikelse og snik-misjonering her om at genene skal «huske» dette og hint for fremtiden.

    Jeg kom bort i det på institutt for skogforsk, Umb.no. «Nå tror Grana at…» men så tok han seg i det og smilte og var jo mye klokere og måtte forsikre meg om at han var en klassisk tørrstofflig mekanistisk ateist og atomist, at det bare var «som om» grana husker, og har bevisste planer om dette og hint i nær fremtid eller til neste år eller på lengre sikt.

    Der har jeg en katekismepsalme til hjelp fra 1642 av Georg Neumark:

    «Wer nur den lieben Gott lasst walten
    Und hoffet auf in allerzeit
    Den wird er wunderlich erhalten
    In aller Not und traurigkeit
    Wer auf den allerhöchsten traut
    Sein Haus ist nicht auf Sand gebaut.

    SANN!

    Den er oversatt til ypperlig dansk, Hvo ene lader Herren raaade og setter til Ham al sin lid…

    Dette er ikke lenger velformede formler om man vil ha inn en artikkel i Nature, da er det tryggere å skrive «the mechanism of…» og slå på med konfidensen og bruke glosa algoritme og hevde at man har god statistikk for dette, selvom det bare er bløff.Det er idag en liturgisk fanatisk doktrine, mest egnet som lettvint utvein for de blinde og skrift- tro, bokstav- tro troerne.

    Men da kommer vi borti et neste problem, hvorvidt dyrene har sjel. Visse forfattere heller av den sorte middelalder har påstått at kvinner har ikke sjel. Kun menn og hester har sjel. Disse forfattere må ha sittet strengt i kloster for å kunne skrive noe slikt, for problemet er jo det motsatte. Kvinner har faktisk i regelen så mye sjel at det tyter av dem, så det kan bli rent for mye for en stakkars mann.

    Idag er det dessuten opplest og vedtatt i lovs form med straffebestemmelser at dyrene har sjel, men sånn har det ikke alltid vært.

    Men jeg skal hjelpe dere med nok en løsning og utvei her. Det var Immanuel Kant i Kritik der reinen Vernunft som påsto at den menneskelige bevissthet og fornuft er slik og slik kategorisk innrettet. at om ikke tingene er slik at de klaffer i denne kategoriske bevisstheten så vil vi ikke ense dem i det hele tatt. Så u- aktet hva Das ding an sich er for noe, så vil vi ignorere det totalt om det ikke klaffer med das ding für mich , jevnfør den skomakeren som ikke enset og så den suppa engang hvis han ikke kunne få lov å bruke sylen sin. Så dumme kan folk være.

    Så i all forskning og saklig tilnærmelse, pass på den operasjonelle og fenomenologiske congruens / likedannethet.

    I snile- forskningen ville jeg nok være temmelig skeptisk til de klassisk tørrstofflig atomistisk klassisk mekanistiske teorier og tenkemåter, og mer se opp for om det var mulig å tenke mer slibrig snile- messig og dessuten også logaritmisk, for det er mer slik snilene er fra Skabelsens eller fra Naturens side. De er typpisk barokke, og der har vi andre kanskje mer apliserbare teorier og tilnærmingsmåter mer fenomenologisk congruente til snilenes objektive vesen og natur. Vi ser blant annet Pascals spiral pålagt et klassisk matematisk rutenett, det Cartesiske plan i transformert form. To så åpenlyse trekk ved snilen burde sette oss på sporet av bedre tanker.

    For om de ting finner vi to solide franske GURUer,Je pense doc je suis, og Pensees sur le religion. Og på tysk har vi GURUene og profetene Kant og Neumark.

    Så gjelder det i omgang med både dyr og kvinner, at for helt ut å fatte og komme på praktisk forretningsmessig fot med dem, så må man være fenomenologisk congruent, ellers er man ikke saklig. Man må ha sjel, og kunne ta til ens empatiske evner ellers….. og så følger lovens straffebestemmelser signert til av Kongen i dyrevelferdsloven.

    Det heter Anima forresten, derav Animals.

    Man behøver ikke være så filosofisk, men tenk litt over den skomakeren, den uforbederlige fagidiot allerede i forhold til de mest trivielle ting, med sin ene saliggjørende operasjonelle tenke og tilnærmingsmåte.

  5. Tarald · mars 3, 2013

    Spennende! Jeg er ikke særlig god på naturvitenskapene, bare voldsomt interessert i snegler (har både landsnegler, ferskvannssnegler og saltvannssnegler, deriblant Nassarius reticulatus).

Legg igjen en kommentar

Fyll inn i feltene under, eller klikk på et ikon for å logge inn:

WordPress.com-logo

Du kommenterer med bruk av din WordPress.com konto. Logg ut / Endre )

Twitter picture

Du kommenterer med bruk av din Twitter konto. Logg ut / Endre )

Facebookbilde

Du kommenterer med bruk av din Facebook konto. Logg ut / Endre )

Google+ photo

Du kommenterer med bruk av din Google+ konto. Logg ut / Endre )

Kobler til %s