homuncul

Магнитное чувство

В свежем Nature рубрика «Вопросы и ответы» посвящена магниторецепции.

Способность воспринимать магнитное поле Земли, отвергнутая в свое время как физически невозможная, присутствует, как теперь известно, у различных животных. Рецепторы для магнитного восприятия остаются пока неясными. Но, кажется, по крайней мере, существует два основных механизма - иногда в одном и том же организме.


Каковы доказательства, что животные воспринимают магнитные поля?

Доказательства магнитовосприятия в основном поведенческие. Наиболее распространенный подход заключается в том, чтобы изменять магнитное поле вокруг животных и следить за соответствующими изменениями в ориентации и навигации в их поведении. Как правило, это делается в лаборатории, где можно производить тщательно откалиброванные магнитные поля. Но опыты также осуществлялись в полевых условиях со свободноподвижными животными, которые мигрируют или находят дорогу к дому. Например, стандартные стержневые магниты производят более сильное магнитное поле, чем естественное поле Земли, и размещение их на почтовых голубях и морских черепахах нарушает их навигацию при некоторых условиях. Нейробиологические методы также представляют некоторые доказательства; в ряде случаев, электрофизиологические записи и показания экспрессии генов обнаруживают нейроны, нервы и мозговые области, которые изменяют электрическую активность в ответ на изменения магнитного поля в окружающей области.


Какую информацию животные могут извлечь из магнитного поля Земли?

Потенциально в их распоряжении два типа информации. Простейшей является информация о направлении, которая позволяет животному поддерживать последовательное движение, например, на север или на юг. У животных с этой способностью, как говорят, есть "магнитный компас». В отличие от этого, по крайней мере некоторые животные могут также получить информацию о местоположении. Другими словами, они могут использовать магнитные сигналы, чтобы оценить свои приблизительные географические координаты, или же как они расположены по отношению к некоей цели. Животные, извлекающие информацию о местоположении из магнитного поля, как утверждается, обладают "магнитной картой». Этот термин используется как удобное сокращение, и не означает, что карта обязательно детализирована или организована таким же образом, как и человеческие карты.


Как геомагнитное поле может использоваться в качестве карты?

Некоторые геомагнитные параметры, такие как интенсивность (сила) поля и наклон силовых линий, предсказуемо меняются по поверхности Земли таким образом, что делает их пригодными для позиционирования и поиска. Морские черепахи, омары и некоторые другие животные могут воспринимать эти параметры. Изучая характерные особенности поля, существующие в определенном месте, а также окружающую магнитную топографию, эти животные могут использовать магнитное поле Земли для навигации в направлении конкретных целей. По сути, они обладают низкого разрешения биологическим эквивалентом Global Positioning System (GPS), которая основана на магнитном поле Земли вместо спутниковых сигналов.


Ограничена ли способность к магнитовосприятию мигрирующими видами?

Нет. Хотя большая часть исследований магнитовосприятия была сосредоточена на дальних мигрантах, магнитная чувствительность филогенетически широка; она существует во всех основных группах позвоночных животных, а также у некоторых моллюсков, ракообразных и насекомых. Список включает в себя такие группы, как мухи, моль, куры и крысы, ни одна из которых не мигрирует. Некоторые данные показывают, что даже крупный рогатый скот ориентируется по отношению к полю Земли, хотя почему, не известно. Однако, несмотря на то, что различные животные, по-видимому, воспринимают магнитные поля, локализовать рецепторы, которые лежат в основе этой способности, оказалось довольно сложно.


Почему так сложно определить магниторецепторы?

Магнитные поля отличны от других сенсорных раздражителей в том, что они свободно проходят через биологические ткани. В то время как рецепторы чувств, таких как обоняние и зрение, должны вступить в контакт с внешней средой, магниторецепторы могут находиться практически в любом месте внутри тела животного. Кроме того, крупные вспомогательные структуры для фокусировки и управления полем - аналоги барабанных перепонок и линз - вряд ли существуют, потому что крайне мало материалов биологического происхождения влияют на магнитные поля. Магниторецепторы также могут быть крохотными и рассеянными по всему объему ткани, или же процесс трансдукции может происходить в виде набора химических реакций, это означает, что никаких очевидных органа или структуры, посвященных этой сенсорной системе, не существует. Если представить попытку найти небольшое число субмикроскопических, возможно внутриклеточных, структур, рассеянных в неизвестных местах по всему телу животного, вы сможете начать осознавать масштаб проблемы.


Как животные обнаруживают магнитное поле?

Никто не знает наверняка, несмотря на то, что были предложены многочисленные идеи. В настоящее время три ведущих гипотезы ссылаются на электромагнитную индукцию, систему, включающую магнетит, и химическую магниторецепцию.


Каков принцип работы электромагнитной индукции?

Представьте себе небольшой стержень, состоящий из электропроводного материала. Если стержень движется в магнитном поле в любом направлении, кроме параллельного линиям поля, положительно и отрицательно заряженные частицы мигрируют по разные стороны стержня. Это приводит к постоянному напряжению, которое зависит от скорости и направления движения по отношению к магнитному полю. Если стержень погружен в проводящую среду, которая является неподвижной по отношению к полю, формируется электрическая цепь и начинает течь ток через среду и стержень. Этот принцип электромагнитной индукции может объяснить, как пластинчатожаберные рыбы (акулы, скаты) воспринимают магнетизм. Туловища этих животных являются токопроводящими, и рыбы обладают электрорецепторами высокой чувствительности, которыми они могли бы обнаружить падение напряжения наведенного тока, возникающее в то время как они проплывают через поле Земли. Но воспринимают ли эти рыбы на самом деле магнитные поля таким образом, не известно.


Может ли такой же механизм индукции работать у многих животных?

Наверное, нет. Такой механизм требует высокой чувствительности электрорецепторов, чем большинство видов не обладает. Кроме того, морская вода является сильно проводящей средой, но воздух не является. Таким образом, птицы и другие наземные животные не могут выполнить магниторецепцию так, как было предложено для электрочувствительных морских рыб. Два механизма кажутся более вероятными для других животных: магнетит и химическое магнитовосприятие.


Что такое гипотеза магнетита?

Гипотеза состоит в том, что кристаллы магнитных минералов магнетита (Fe3O4) обеспечивают физическую основу для магнитовосприятия. Идея была вдохновлена отчасти в связи с открытием, что некоторые бактерии производят кристаллы магнетита; в результате, бактерии физически поворачиваются в соответствие с силовыми линиями геомагнитного поля и могут перемещаться по ним. Магнетит был обнаружен в нескольких магниточувствительные животных, но особенно подробные исследования были проведены с лососем и радужной форелью. У форели магнетит сосредоточен в области носа у нерва, который реагирует на магнитные раздражители. Магнетит, выделенный из рыб и других животных, главным образом, был в форме однодоменных кристаллов, напоминающих те, что найдены у бактерий. Однодоменные кристаллы представляют собой крошечные (около 50 нанометров в диаметре), постоянно намагниченные магниты, которые разворачиваются в соответствии с магнитным полем Земли, если им разрешено свободно вращаться. Такие кристаллы могут обеспечить физическую основу для магнитной чувствительности.


Как это могло бы работать?

Простейшая возможность, что кристаллы магнетита воздействуют крутящим моментом или давлением на вторичные рецепторы (такие как рецепторы натяжения, волосковые клетки или механорецепторы) в процессе того, как частицы выстраиваются соответственно геомагнитному полю. Либо же вращение внутриклеточных кристаллов магнетита может открывать ионные каналы в нервных клетках напрямую, если, например, нити цитоскелета связывают кристаллы с каналами. Открытие этих каналов позволяет ионам проходить через мембраны нервных клеток и производить электрические сигналы, используемые в коммуникации мозга и нервной системы.


Все кристаллы магнетита животных идентичны?

Нет. У некоторых животных они меньше, чем размер одного домена, и имеют другие магнитные свойства. Эти "суперпарамагнитные' кристаллы, в отличие от однодоменных кристаллов, не имеют постоянного магнитного момента. Вместо этого, магнитная ось суперпарамагнитного кристалла следует за осью окружающего поля, хотя сам кристалл остается неподвижным. В магнитном поле Земли такие кристаллы могут генерировать поля достаточно сильные, чтобы притягивать или отталкивать другие соседние кристаллы, и этот процесс может быть достаточен для того, чтобы деформировать матрикс, содержащей кластер таких кристаллов. В принципе, нервная система может быть в состоянии почувствовать расширение или сокращение одного кластера или массива кластеров, обеспечивая возможные средства идентификации направлении поля, его интенсивности, либо того и другого. У голубей массивы суперпарамагнитных кристаллов магнетита были обнаружены в верхнем клюве, где скопления этих кристаллов находятся внутри нервных окончаний и вдоль клеточной мембраны. Они, кажется, хорошо расположены для преобразования геомагнитных раздражителей для нервной системы.


Что такое химическая магниторецепция?

Принцип в том, что магнитовосприятие происходит путем необычных биохимических реакций, которые находятся под влиянием магнитного поля Земли. Предлагаемые реакции вовлекают пары свободных радикалов в качестве посредников, так что идея также известна как гипотеза радикальных пар.


А как она может работать?

Подробности сложны, но предполагаемый процесс начинается с переноса электрона от молекулы донора к молекуле акцептору. Это оставляет каждую молекулу с непарным электроном. За краткий миг, спин каждого электрона прецессирует со скоростью, определяемой его уникальным местным магнитным окружением, которое зависит от комбинированных магнитных полей, генерируемых спинами и орбитальными движениями неспаренных электронов и магнитных ядер, а также направлением и силой любого внешнего поля. Обратный перенос электрона может произойти только тогда, когда спины противоположны. Выравнивание частично зависит от разницы в скоростях прецессии спинов. Поскольку внешние поля могут влиять на скорость прецессии, это может, при правильном наборе условий, влиять на скорости реакций или на химические продукты, которые получаются в конечном итоге.


Существуют ли магниточувствительные химические реакции?

Да. Известно с 1970 года, что некоторые химические реакции с участием свободных радикалов находятся под влиянием магнитного поля, так что идея носит не только гипотетический характер. Но реакции, которые лучше всего поняты, требуют полей гораздо более сильных, чем поле Земли. Активные области "спиновой химии" сейчас включают в себя усилия по выяснению того, могут ли поля геомагнитной силы давать такой же эффект, и если да, то каким образом.


Где могут быть расположены химические магниторецепторы?

Вполне возможно, в зрительной системе. Многие из самых известных реакций радикальных пар начинаются с электронных переходов, которые вызваны поглощением света. Это привело к предположению, что химические магниторецепторы, если они существуют, могут быть также фоторецепторами. Связь с фотовозбуждением также привела к росту интереса к сине-светочувствительным белкам, известным как криптохромы. Криптохромы являются привлекательными кандидатами на магниторецепторы, потому что они существуют у различных животных и содержат хромофор, который формирует радикальные пары после фотовозбуждения.


Какие есть доказательства, что криптохромы с этим связаны?

Криптохромы, похоже, имеют необходимые химические свойства, и у перелетных птиц они сосредоточены в клетках сетчатки, которые демонстрируют высокий уровень нейронной активности, когда птицы ориентируются в магнитном поле. Кроме того, эти клетки сетчатки связаны с областью переднего мозга, известной как кластер N, и разрушение кластера N нарушает магнитную ориентацию без ущерба для других типов навигационного поведения. Наиболее прямое свидетельство участия криптохромов, однако, вытекает из опытов с мухами дрозофилами, в которых мухи были обучены забираться в один вход простого лабиринта, исходя из распределения магнитных полей. Мутантные мухи, лишенные генов криптохрома, были не в состоянии выполнить эту задачу, но магнитная чувствительность восстанавливалась при внедрении этих генов


Как можно воспринимать магнитные поля визуально?

Одна из идей заключается в том, что в то время как магниточувствительные животные смотрят на мир, они видят наложенный на нормальное (для человека) поле зрения дополнительный сигнал, состоящий из паттерна огней и цветов, который меняется в зависимости от направления. Если так, то животное может научиться увязывать визуальный сигнал с определенным магнитным направлением.


Гипотезы магнетита и химической магниторецепции взаимоисключающие?

Нет. Многие исследователи считают, что у птиц есть компас на основе химического магнитовосприятия в глазах и карта на основе рецепторов магнетита в клюве. Согласно этой идее, два механизма необходимы, поскольку каждый обнаруживает свой элемент поля. Компас определяет его направление, в то время как карта определяет силу поля, наклон или то и другое.


Все ли согласны с этой гипотезой двух рецепторов?

Некоторые ученые утверждают, что все магнитовосприятие основано на магнетите, и что предполагаемая связь между криптохромами, зрительной системой и магниторецепцией является иллюзорной. Согласно этой точке зрения, криптохромы и другие зрительные пигменты участвуют в поддержании биологического ритма и информировании птиц или других животных о том, когда имеются необходимые условия для миграции, но фотопигмены фактически не участвуют в обнаружении магнитного поля. Разрушение или устранение функций криптохрома может нарушить навигационное поведение, но только с помощью косвенных средств, таких как расстройство ритмов нормальной деятельности или запутывание животных относительно подходящего времени миграции.


Эта точка зрения разумна?

Зависит от того, кого вы спрашиваете. Мнения расходятся.


Так как же обстоит дело?

Достигнут значительный прогресс, и несколько кандидатов в магниторецепторы уже определены. Однако исследователи еще не установили, на физиологическом уровне, основные события, которые предположительно происходят; например, не было явной демонстрации стимула, вызывающего электрический ответ рецепторов. При отсутствии таких данных все предлагаемые механизмы должны рассматриваться как гипотетические. Эта ситуация вряд ли изменится, пока не будет найден способ однозначного выявления первичных магниторецепторов - или подтверждена функция предполагаемых - путем определенного сочетания электрофизиологических, нейроанатомических и других методов.


Есть ли перспектива для дальнейшего прогресса?

Да, но могут потребоваться новые методы и исследовательские системы. Изучение магниторецепции началось с исследования поведения относительно крупных мигрирующих животных, но это не обязательно самые лучшие системы для исследования процессов трансдукции. Перспективным является то, что три модельных организма (дрозофила, рыбка данио и нейробиологическая модель моллюск Тритония), как теперь известно, отвечают на магнитные стимулы. Вне зависимости от используемой системы, решение загадки магнитовосприятия почти наверняка будет результатом увлекательного взаимодействия биологии, химии и физики.


Q&A: Animal behaviour: Magnetic-field perception. Kenneth J. Lohmann. Nature, Vol. 464, No. 7292. (22 April 2010)
Tags:
> Рецепторы для магнитного восприятия остаются пока неясными.

В детстве читал книжку (было-было!), там было написано, не помню уже точно, у голубя или перелетной птицы нашли в голове пузырек с магнетитовыми частичками.
Специализированные рецепторы (ампулы Лоренцини) есть у акул, скатов, и в несколько измененном виде у осетровых. Таксономически эти рыбы близки друг другу. Электрическое чувство есть и у других рыб, но морфологически электрорецепторы найдены только у пластиножаберных. Функционально рецепторы делятся на высоко- и низкочастотные. С помощью первых рыбы обнаруживают добычу, вторые, как считается, для ориентации. У нас эти занимались Броун, Барон, Акоев, и многие другие. Опыты с животными проводились в Дальних Зеленцах и на Карадагской биостанции.
Доказательством наличия магнитного чувства была бы успешная выработка условного рефлекса на направление магнитного поля. Допустим, поле переворачивается -- голубь перелетает на другой насест. Это могло бы быть ещё и эффектным трюком в цирке.

Есть ли такие опыты?
Тема интересная. Только статья немного безинформативная и пустая для Nature. Отсылок к конкретным доказательствам существования физической восприимчивости к магнитному полю у животных - нет. Там ведь важно исключить ВСЕ варианты ориентации отличныые от магнитной восприимчивости.
Принципиальная восприимчивость к магнитному полю может оказаться не только у криптохромов или кристалликов окиси железа. Токов различной природы (движения зарядов) в организме до дури, и все они чувствуют магнитное поле. Сами нейроны могут это делать не хуже криптохромов, я думаю. Так чтов отсутствие демонстрации реакции (хотя бы возможности таковой) ЦНС на раздражение этих кристалликов - грош цена этим гипотезам. Насчет передачи разной информации по одному нерву (от зрительной колбочки) - неясно. Это как в телефонной сети, что ли - разные абоненты на разных частотах на одном проводе?
Насчет "карты" на базе силы или склонения магнитного вектора - нечто совсем за уши притянутое.
Нельзя также исключить, что реакцией на магнитные стимулы опытных объектов является несистемный болевой уровень раздражения (тех же нейронов). Некоторые (люди) утверждают, что от долгого контакта с сильными магнитами у них начинает болеть (поламывать) место контакта.
Автор как раз честно предупреждает, что механизмы должны рассматриваться пока как гипотетические. Что касается отсылок к конкретным доказательствам, в конце приведен список литературы. Копирую специально для вас:

Gegear, R. J. , Casselman, A. , Waddell, S. & Reppert, S. M. Cryptochrome mediates light-dependent magnetosensitivity in Drosophila. Nature 454, 1014–1018 (2008).

Johnsen, S. & Lohmann, K. J. Magnetoreception in animals. Phys. Today 61 (3), 29–35 (2008).

Kirschvink, J. L. , Winklhofer, M. & Walker, M. M. Biophysics of magnetic orientation: strengthening the interface between theory and experimental design. J. R. Soc. Interface 7, S179–S191 (2010).

Lohmann, K. J. , Lohmann, C. M. F. & Putman, N. F. Magnetic maps in animals: nature's GPS. J. Exp. Biol. 210, 3697–3705 (2007>).

Ritz, T. , Ahmad, M. , Mouritsen, H., Wiltschko, R.& Wiltschko, W. Photoreceptor-based magnetoreception: optimal design of receptor molecules, cells, and neuronal processing. J. R. Soc. Interface 7, S135–S146 (2010).

Rodgers, C. T. & Hore, P. J. Chemical magnetoreception in birds: the radical pair mechanism. Proc. Natl Acad. Sci. USA 106, 353–360(2009).

Wiltschko, W. & Wiltschko, R. Magnetic orientation and magnetoreception in birds and other animals. J. Comp. Physiol. A 191, 675–693 (2005).
Спасибо за ссылки. Принципиальная возможность до этих статей добраться у меня есть, правда, боюсь, заинтересованности не хватит. :) Я просто отметил, что статья по интересной теме в серьезном журнале почти не содержит фактического материала, которым можно было бы оперировать. Только общие соображения.
Способность воспринимать магнитное поле Земли, отвергнутая в свое время как физически невозможная, присутствует, как теперь известно, у различных животных. Рецепторы для магнитного восприятия остаются пока неясными. Но, кажется, по крайней мере, существует два основных механизма - иногда в одном и том же организме.


А можно узнать когда она была отвергнута? А то нам в школе это на биологии преподавали, да и в инсте что-то такое было.
Логично предположить, что это было раньше вашего обучения. Уточняю: эта фраза - перевод из Nature.
если отвергнута раньше, значит нас учили ненаучно?)
Или где-то ее отвергли, а где-то нет?

В низу стоит дата 2010 - я ничего не понял
Я тоже. Нормальное дело, сначала возможность отрицается, потом принимается. Следовательно, вас учили уже по-новому. Но историю вопроса я не знаю, просто доверяю натуре.
Забавно... Я не специалист, но химическая магниторецепция кажется очень маловероятной. Во-первых, поля уж очень слабые, во-вторых, если криптохромы с ней связаны, то (если я правильно понимаю) хим. реакция зависит не только от характеристик поля, но и от интенсивности света нужной частоты. Получается, что поле должно влиять не на скорость реакции (т.к. эта скорость зависит также от интенсивности света), а на вид ее продуктов. Как-то уж очень маловероятно... тем более, что разнообразие продуктов явно не может быть большим.
Плюс что-то не то с визуальным восприятием. Находясь на месте и крутя головой, птица не может видеть перемены поля, т.к. при этом не изменяется поле, в котором находится голова. Получается, что визуальный сигнал, сообщающий о характеристиках поля, не зависит от направления взгляда. Всякое, конечно, могло появиться в ходе эволюции, но такое нагромождение кажется маловероятным... Хотя, конечно, я в этой области вообще мало что понимаю :)
Ну вы же видели, с гипотезой криптохромов далеко не все согласны. Даже в качестве гипотезы. Я тем более не специалист. Надо, конечно, более подробно все это изучать, чтобы иметь мнение.
Надеюсь, вы не станете смеяться, но я только вчера неожиданно впервые услышал обо всём этом. А сегодня мне подкинули несколько ссылок. В том числе и на этот пост. А всё началось с информации о том, что пасущиеся коровы направляют свои головы строго на север либо строго на юг. Однако, не срослось. У меня в архиве есть три фотографии коров на окраине одного и того же горного аула.

      

Два снимка слева сделаны в ноябре 2013-го и все коровы смотрят на запад (на карте стрелка «A»), а правый снимок в мае того же года - на север (стрелка «B»).



Как-то не вяжется это с теорией... ;-)

Edited at 2015-05-13 06:47 pm (UTC)