Nanotracking

Alla djur rör sig för att söka föda eller undvika olika hot och varje individ måste göra sitt eget val: ska jag stanna kvar, fly undan eller flytta vidare? Stora djur förses med sändare så att forskarna kan följa varenda rörelse. Men hur kan vi studera djur som är så små att vi knappt kan se dem?

Vi har sett på TV hur älgar och gnuer förses med stora sändare för att forskarna ska kunna följa hur de rör sig i naturen. Idag finns sändare som är så lätta att vi även kan se hur små fiskar väljer att simma. Men fiskarnas föda, djurplankton, vilka val gör de? Genom att utnyttja nanoteknik försöker forskare inom programmet CAnMove vid Lunds universitet nu svara på den frågan.

Stora förflyttningar men lite detaljkunskap

– Hela projektidén föddes ur frustration och avundsjuka, säger Lars-Anders Hansson, professor i Akvatisk ekologi. Avundsjuka på dem som studera större djur och som kan se var de befinner sig hela tiden, var de simmar, flyger, kryper eller springer. Frustration över att vi forskare inte kunnat studera de små djurens privatliv.

En av de största förflyttningarna – sett som total biomassa – utförs faktiskt av plankton, organismer som är så små att vi knappast kan se dem. Varje dygn förflyttar sig djurplankton uppåt och nedåt i sjöar och hav, upp i ljuset för att hitta föda, ner i mörkret för att undgå att själva bli uppätna eller skadas av solens ultravioletta strålning (UV). Genom att ta upp vattenprover från olika djup och räkna antalet plankton har forskare kunnat studera hur hela planktonsamhället vandrar i djupled.

– Vi kan se att det finns lite fler här och lite färre där, säger Lars-Anders Hansson. Men det är alltid en stor variation, alla individer beter sig tydligen inte på samma sätt. Det är frustrerande att inte kunna studera om det beror på att vissa individer aldrig vandrar eller om vissa bara vandrar långsammare.

Samarbete över ämnesgränser ger lösningen

Lars Anders Hansson beslöt sig för att göra något åt sin frustration, bjöd in fysik- och kemistkollegor och visade dem hur små hinnkräftor simmade runt i en burk. Finns det något inom den nya nanotekniken som kan användas till att märka så små djur? Köp kvantprickar, blev svaret från nanofysikerna. Kvantprickar är nanometersmå strukturer som avger ljus när de stimuleras av energi, exempelvis när de blir belysta. Storleken på pricken bestämmer ljusets färg.

– Med dessa prickar kan varje individ märkas med en unik färg eller färgkombination, förklarar Lars-Anders Hansson.

”Med dessa prickar kan varje individ märkas med en unik färg eller färgkombination.”

Nästa steg var att få de små prickarna att fästa på hinnkräftornas skal. Här kom kemisterna till hjälp. Efter flera försök fann man ett ämne som visade sig fungera som ”klister” på de flesta djurplankton. Nu var det dags att testa hur djuren reagerar när hela skalet var täckt av kvantprickar.

– Hinnkräftorna påverkas inte av märkningen, berättar Lars-Anders Hansson. Vi ser ingen skillnad i beteende, överlevnad eller reproduktion.

Små djurs rörelser fångas på bild

Vattentanken som används för att studera hinnkräftornas rörelser är liten nog för att två kameror ska kunna fånga alla rörelser i en 3D bild. Men den är ändå hög nog för att en liten hinnkräfta ska behöva simma 500 kroppslängder för att ta sig från ytan till botten. Speciella dioder sprider ett svagt ljus och får hinnkräftorna att lysa i olika färger.

– Kamerorna tar 10 bilder per sekund och vi kan nu registrera individernas hela rörelsespår och analysera hur långt och hur fort de har simmat, säger Lars-Anders Hansson.

Med metoden är det nu möjligt att följa 10 individer samtidigt för att på så sätt studera om det finns skillnader i beteende. Det är också möjligt att studera konkurrens genom att blanda individer från olika arter av djurplankton och insekter.

Lars-Anders och hans kollegor har prövat metoden på andra smådjur som vattenlevande insektslarver och hoppkräftor. På insekter fungerar det utmärkt att klistra fast kvantprickar, men på hoppkräftorna har de ännu inte fått det att fungera. Men Lars-Anders är inte orolig, kemisterna kommer nog finna en lösning.

– Detta projekt hade inte varit möjligt utan ett samarbete med fysiker och kemister, konstaterar han.

Nu studeras hinnkräftornas privatliv

Den gemensamma metodutvecklingen har nu lett till att Lars-Anders Hansson, hans doktorand Mikael Ekvall och post-doc Giuseppe Bianco kan börja utforska hinnkräftornas privatliv. En intressant fråga är om skillnaderna i vandringsmönster som man sett ute i sjöar och hav kan bero på att även hinnkräftor har olika personlighet. Kanske är vissa djärva och andra mer försiktiga? Är vissa individer exempelvis mer benägna att trotsa faror som ökad UV bestrålning eller närvaron av rovdjur för chansen att få tag på mer föda?

– Vi kan studera om personligheten förs vidare över flera generationer. Vi kan också träna individer att exempelvis vänja sig vid UV-strålning och sedan jämföra dem med otränade individer. Det finns oändliga möjligheter, avslutar Lars-Anders.

Text: Pia Romare

Publicerad: 2014

3D-spår av två hinnkräftor – en gulmärkt och en rödmärkt Daphnia magna – som efter 20 sekunder blir belysta ovanifrån med UV-ljus. Båda reagerar på UV bestrålningen med att fly nedåt, bort från ljuset. (journal.pone.0078498.s004)

Fakta

Nanoteknik

Nanoteknik, teknik för framställning av objekt mellan 1 och 100 nanometer (nm, miljarddels meter, 10^-9 m), bland annat använd inom mikroelektronik och bioteknik.

Hur man får en hinnkräfta att lysa rött

För att de rödlysande nanometersmå kvantprickarna ska fastna på hinnkräftornas skal måste varje prick först omges av ett lager “klister”. Därför får kvantprickarna ligga i ett bad med poly-L-lysine – ett ämne som även används för att få vävnadsprover att fästa vid mikroskopens objektglas. När alla kvantprickar har fått ett klistrigt hölje är det dags för hinnkräftorna att bada i en lösning med prickar. I slutänden kommer varje djur få en ny självlysande röd ”hud”. Eftersom hinnkräftor byter skal ofta gör de sig av med märkningen inom några dagar.