U životinjskom carstvu postoji mnogo sjajnih primera vrsta koje daju smisao svom svetu vešto dešifrujući čak i slabe signale iz svog okruženja.
Orao koji se uzdiže iznad zemlje uviđa dole rečnu ribu koja sprema da proguta bubu; gladni crni medved namiriše zalogaj hrane dve milje dalje u gustom šikari; kljunasti kljun, koji pliva u slatkovodnom potoku, zatvara oči i detektuje električne impulse ukusnog punoglavca u blizini.
Zatim su tu zmije.
Pronađene u širokom spektru staništa, od džungle do pustinja, ove zmije koriste moćne infracrvene senzore koji se nalaze blizu njihovih nozdrva da love plen u mraku tako što osete čak i najmanju temperaturnu promenu – i to postižu termički osetljivim jonskim kanalima koji su samo u rangu sa čulnim aparatom čoveka.
Kako zmije to rade? Par fizičara sa Jejla je možda otkrio odgovor u novom matematičkom modelu, opisanom u novoj studiji u časopisu Zbornik radova Nacionalne akademije nauka.
„Da bi locirali svoj plen, zmije treba da otkriju mili Kelvinove promene temperature svojim čulnim organom, što zahteva da ceo organ bude 1.000 puta osetljiviji od njihovih osnovnih molekularnih senzora“, rekla je Izabela Graf, postdoktorski saradnik iz fizike na Jejlu. Fakultet nauka i umetnosti (FAS).
Kelvin je međunarodno prihvaćena osnovna jedinica za merenje temperature.
Štaviše, ove zmije ponekad žive u pustinjama gde se temperatura okoline dramatično menja između dana i noći“, dodao je Graf. „Kako je moguće da se promene temperature u mili Kelvinima mogu robusno detektovati znatno manje osetljivim senzorima u veoma različitim okruženjima?“
Graf i Benjamin Machta, docent fizike na FAS-u i član Instituta za kvantitativnu biologiju Jejla, kažu da bi objašnjenje moglo biti biološki mehanizam koji omogućava zmijama da pojačavaju male signale i prenose ih u svoj mozak sa velikom vernošću.
Za ovu studiju, istraživači su kreirali matematički model koji koristi koncepte iz statističke fizike i teorije informacija kako bi razumeli kako dolazni temperaturni signal iz pojedinačnih jonskih kanala zmija u jami zajedno utiče na neuronski odgovor. Unutar matematičkog modela postoji „bifurkacija“—tačka u kojoj se neuronski odgovor kvalitativno menja i pojedinačni, manje osetljivi senzori temperature pokazuju visok stepen saradnje.
„U blizini ove tačke bifurkacije, pokazujemo da mozak zmije može dobiti skoro onoliko informacija o temperaturi kao da može da očita merenja sa svakog pojedinačnog senzora, a zatim ih savršeno usredsređuje kako bi dobio jedno, optimalno tačno merenje“, rekao je Machta.
Ovako u gluvo doba noći zmija nalazi svoju večeru.
Nova studija takođe objašnjava način na koji zmije održavaju svoju toplotnu osetljivost usred velikih promena temperature između dana i noći. Istraživači su rekli da njihov matematički model uključuje funkciju „povratne informacije“ koja automatski štiti ukupnu osetljivost sistema tokom temperaturnih promena.
Graf i Machta su rekli da bi njihov novi model mogao imati i primenu izvan noćnih lutanja zmija.
„Slične povratne informacije i principi dizajna mogu se naći u drugim senzornim sistemima koji takođe moraju da otkriju male signale u promenljivom okruženju“, rekao je Graf.
