Магниторецепция у животных Введение На протяжении многих столетий человека волновал вопрос о том, как животным удается ориентироваться на нашей большой планете. Сейчас нам известно, что в их распоряжении есть множество надежных методов: одни существа днем ориентируются по солнцу, а ночью — по звездам, другие запоминают знаки на местности, третьи путешествуют по планете благодаря запахам. Пожалуй, самым загадочным способом ориентации в пространстве является магниторецепция — способность ориентироваться по направлению и силе действия магнитного поля Земли. Мы живем на планете, ядро которой состоит из расплавленного железа — хорошего проводника. Движение проводящего вещества ядра приводит к возникновению магнитного поля. Проблема заключается в том, что магнитное поле Земли очень слабое. Его напряженность на поверхности планеты равна 30–70 микротесла: этой силы хватает на то, чтобы отклонить ровную и практически свободную от трения стрелку компаса. Если животные способны чувствовать магнитное поле, оно должно каким-то образом оказывать воздействие на одну из химических реакций, протекающих в организме. Однако количество энергии взаимодействия магнитного поля Земли с молекулами внутри клетки составляет менее одной миллиардной количества энергии, необходимого для того, чтобы разрушить или создать химическую связь. Актуальность Поиски биологического компаса идут уже почти полвека, и в них участвуют биологи, химики и даже физики. Но анатомическое строение, механизм и расположение магниторецепторов животных по-прежнему остаются загадкой. Магнитные поля свободно проходят через биологические ткани, и это значит, что магниторецепторы могут располагаться практически в любом месте. Масштаб проблемы можно охарактеризовать цитатой Джозефа Киршвинка, автора многих работ на тему магниторецепции: «Один эквивалент магнитной бактерии может дать киту компас. Это всего одна клетка. Удачи в поисках» На протяжении десятилетий идея, что животные ориентируются по магнитному полю Земли, отвергалась научным сообществом. Затем, в 1958 г., Вольфганг Вильчко провел эксперимент: поместил птиц в закрытое помещение и с удивлением обнаружил, что птицы не теряют способности ориентироваться. Далее он поместил зарянок в стальную камеру, ослаблявшую магнитное поле Земли, и менял направление магнитного поля - птицы меняли направление, в котором пытались улететь. Позже Вильчко пришел к выводу, что зарянки определяют инклинацию - угол между магнитным полем и земной поверхностью. Тем временем появились другие исследования, показавшие, что магнитное поле чувствуют также акулы, скаты, саламандры, мухи и даже пчелы. Способностью ориентироваться в магнитном поле обладают практически все животные, которых исследовали ученые. Карпы, плавающие в аквариумах на рыбных рынках Праги, стихийно выстраивались по оси север - юг. Лошади, коровы и олени располагают туловище в этом направлении, когда пасутся, но не под линиями электропередачи, которые искажают магнитное поле. Бактерии На сегодняшний день правдоподобное объяснение магниторецепции существует только у некоторых видов бактерий, называемых магнитотактическими. Впервые эти бактерии обнаружил в 1975 году микробиолог Ричард Блейкмор . Он изучал под микроскопом образцы болотной грязи и заметил странное поведение некоторых бактерий. Они, вместо того чтобы хаотично носиться туда-сюда по предметному стеклу, направлялись в одну и ту же сторону, к окну. Оно выходило на север, и Блейкмор предположил, что бактерии как-то это чувствуют. Он проверил свою теорию: подносил к микроскопу магнит - микроорганизмы устремлялись по направлению к его северному концу, а как только магнит убирался, они начинали снова двигаться в сторону северного магнитного полюса Земли. В клетках этих бактерий были найдены непрозрачные частицы определенной геометрической формы магнитосомы, заполненные железом в форме магнетита (Fe3O4) и выполняющие функцию магнитной стрелки. Каждый кристалл представляет собой магнит с северным и южным полюсом. Бактерии укладывают кристаллы внутри себя в одну цепочку и закрепляют особым структурным белком. Чем больше кристаллов — тем магнит сильнее и чувствительнее к магнитному полю. Эту конструкцию бактерии используют для ориентации движения вдоль геомагнитного поля Земли. Зачем же бактериям нужен компас? Для нормального роста им требуется кислород, но в небольшом количестве. Поэтому их излюбленное место жительства — на границе кислородной и бескислородной зоны в водоемах. Они используют свой природный компас, чтобы варьировать глубину погружения и, таким образом, выбирать наиболее выгодные для себя условия. Животные Магниторецепция у более развитых, чем бактерии, животных, изучается уже много лет, однако споры о её природе не заканчиваются. На сегодняшний день две основные гипотезы механизма магниторецепции: 1. Магниторецепторы, содержащие намагниченные минеральные частицы 2. Химические магниторецепторы, расположенные в сетчатке глаза 1.Магнетиты Fe3O4 был также обнаружен в телах различных видов животных, например, в носовой полости птиц. Авторы открытия предполагали, что железосодержащие клетки передают информацию от магнитных стимулов по глазной ветви тройничного нерва. Далее исследователи подтвердили, что ветвь этого нерва несет информацию от рецепторов, находящихся в области надклювья. Однако подробное 3D-изучение клюва голубя с использованием метода МРТ показало, что магнетит в клетках клюва голубя почти наверняка не имеет ничего общего с магниторецепцией. На самом деле богатые железом клетки, называемые макрофагами, участвуют в выработке иммунитета к патогенам, и не влияют на чувствительность к магнитному полю. Тем не менее, существуют убедительные экспериментальные данные того, что тройничный нерв птиц все-таки передает информацию для магнитного ориентирования. Это было показано на почтовых голубях, которых обучили воспринимать магнитный стимул. Способность его воспринимать временно утрачивалась под воздействием анестетика лидокаина, которым смазывали надклювье, и необратимо утрачивалась у тех голубей, у которых оперативным путем был перерезан исследуемый нерв. 2.Химические магниторецепторы Впервые гипотеза о том, что химические реакции могут лежать в основе магниточувствительных рецепторов, была выдвинута Клаусом Шультеном и его соавторами в конце 1970-1980-х годов. Было установлено, что магнитные поля могут влиять на выход продуктов химических реакций с участием двух радикалов. В 2000 г. в статье Торстена Ритца была предложена модель радикальных пар, в которой предполагается, что птицы могут использовать в качестве магниторецеторов светочувствительные молекулы белковкриптохромов. Как же эта модель устроена? Для объяснения нужно разобраться в некоторых научных терминах. Согласно принципу Паули, если два спаренных электрона в атоме или молекуле имеют одинаковую энергию, то они должны иметь противоположные спины. Суммарный спин будет равен нулю, и тогда мы считаем их находящимися в синглетном состоянии. Однако если два электрона имеют однонаправленные спины, что называется триплетным состоянием. Представьте, что у вас есть пара кубиков, которые всегда приземляются на одну и ту же грань, когда их бросают вместе. Сама выпавшая грань остается случайной и меняется при каждом броске, но в конечном счете на обоих кубиках всегда выпадает одно и то же число. По аналогии, существуют такие отделенные друг от друга частицы, которые могут совершать чудеса, как эти кубики: их состояние коррелирует независимо от расстояния между ними. Эта особенность называется квантовой запутанностью - одна частица мгновенно воздействует на другую, как бы далеко друг от друга они ни находились. Два электрона в одном атоме являются запутанными: хотя ни один не имеет определенного направления спина, он влияет на спин второго электрона. Таким образом, хотя оба электрона находятся в суперпозиции, находясь одновременно в состоянии по полю и против поля, они должны в любой момент времени иметь противоположные спины. Если один электрон из синглетной пары, находящейся в одном атоме, перескакивает в соседний атом, его спин может измениться, тем самым перейдя в триплетное состояние. Но это квантовый мир - поэтому спин может и остаться прежним. Каждый из двух электронов будет по-прежнему находиться в суперпозиции, вращаясь в обоих направлениях сразу; а сама пара электронов будет существовать в суперпозиции, находясь в синглетном и триплетном состоянии одновременно. Два таких электрона могут оставаться запутанными даже после того, как связь между атомами нарушена. Тогда разделенные атомы будут называться свободными радикалами. К чему это все? Чтобы обнаружить влияние очень слабого магнитного поля Земли, нам нужен химический механизм такой, чтобы на него могли значительно влиять малейшие внешние воздействия. Особенностью квантовой суперпозиции является то, что на вероятности «поймать» пару запутанных электронов в синглетном или триплетном состоянии влияет угол магнитного поля по отношению к ориентации разделенной пары. А характер продукта реакции зависит от этого синглет-триплетного баланса. Объединив все эти данные, мы можем наконец перейти к механизму работы биохимических рецепторов. Первый шаг в схеме - поглощение фотона синего света светочувствительной молекулой пигмента, которая находится в белке криптохроме. Энергия этого фотона используется для извлечения электрона из одного из атомов в молекуле ФАД, что создает вакансию. Она может быть заполнена другим электроном из пары запутанных электронов в аминокислоте триптофане внутри белка криптохрома, который остается запутанным со своим партнером. Пара образует суперпозицию синглет-триплетных состояний, баланс которых очень чувствителен к силе и углу магнитного поля Земли. Направление, в котором летит птица, зависит от состава конечных химических продуктов, создаваемых в ходе химической реакции. Так или иначе, в механизме, который не совсем ясен до сих пор, эта разница генерирует сигнал, который посылается в птичий мозг, чтобы сообщить ему, где находится ближайший магнитный полюс. Стоит немного сказать о самом криптохроме. Криптохро́мы — класс светочувствительных белков растений и животных. Эти белки дают клеткам возможность воспринимать синий и ультрафиолетовый свет.Криптохром знаменит своим участием в регуляции циркадных ритмов, то есть ритмов дня и ночи у животных и растений. Было получено много данных о том, что криптохром обеспечивает магнитное чувство у животных. Например, показано, что мушки дрозофилы, у которых был «выключен» характерный для них криптохром первого типа, теряют магнитное чувство; если же заставить их заново экспрессировать их собственный криптохром первого типа (или даже криптохром второго типа бабочки монарха, который для дрозофил вовсе не характерен), они снова становятся чувствительными к магнитному полю. Заключение Наиболее многообещающие отведения - криптохромы, системы на основе железа, - имеют свои плюсы и минусы. Криптохромы наблюдались у различных организмов, но это не дает ответа на вопрос о навигации в ночное время. Системы на основе железа также наблюдались у птиц и, если они будут доказаны, могут сформировать магниторецептивную основу для многих видов, включая черепах. Также существует довольно большое количество уникальных приспособлений для магниторецепции, например, использование электромагнитной индукции акулами и скатами. Есть версия, что «орган магниторецепции» сокрыт в вестибулярном аппарате или же в одной из структур внутреннего уха (лагене) птиц. Кроме того, остается вероятным, что два или более дополнительных механизма играют роль в обнаружении магнитного поля у животных. Каждая из описанных гипотез имеет свои преимущества и недостатки. На сегодняшний день ни одна из них не дает исчерпывающего ответа на все вопросы, связанные с магниторецепцией. Поэтому то, как же все-таки животные ориентируются в магнитном поле, человеку еще предстоит открыть.
