РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Животные «видят» магнитное поле: секреты летучих мышей

Далеко не все земные организмы ограничены чувствами, которые доступны человеку. Некоторые из них обладают своеобразными сверхспособностями – к примеру, могут ориентироваться в пространстве по магнитному полю Земли. Долгое время механизм этого «магнитного чувства» вызывал споры, однако 2015 год положил дебатам конец.
Тэги:
Животные «видят» магнитное поле: секреты летучих мышей

Со школьной скамьи мы знаем, какая именно сила ограждает все живое на нашей планете от смертоносного солнечного ветра: это магнитное поле Земли, порождаемое движением жидкого планетарного ядра и отражающее опасное космическое излучение. На поверхности Земли сложно найти такое место, где можно было бы изолировать себя от этого поля. И все же в нашей повседневной жизни мы крайне редко замечаем его воздействие.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

«Мы», однако, это только Homo sapiens. Вид, который, как принято считать, обладает лишь пятью «традиционными» чувствами: зрением, слухом, обонянием, осязанием и вкусом. Природа моделью «пяти чувств» не ограничилась. Эволюция создала существ, которые способны воспринимать более полную картину физической реальности, чем люди, используя в своем сенсорном арсенале даже столь фантастические виды чувств, как ориентация в пространстве по магнитному полю Земли. Это явление — ощущение магнитного поля — называется магниторецепцией. Но каким организмам и для решения каких задач могло понадобиться столь экзотическое по человеческим меркам чувство?

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Магниточувствительные создания

«Такие животные, как птицы и бабочки, рутинно пересекали континенты задолго до того, как человек изобрел самолет. Как и пилоты, эти животные опираются на важный инструмент — компас, чтобы достигнуть пункта назначения ночью или в тумане», — рассказал «Популярной механике» специалист в области нейробиологии профессор Джонатан Пирс-Шимомура из Техасского университета в Остине.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Впервые ученые заметили, что птицы чувствительны к магнитному полю Земли, в конце XIX века. Позже произошли две мировые войны, в ходе которых для доставки важных сообщений активно использовали почтовых голубей. За время Второй мировой войны союзники доставили на европейский континент 16 000 почтовых птиц. Лишь 1% сообщений, отправленных с голубями, были зашифрованы — птицы настолько точно находили своих адресатов, что в дополнительных мерах осторожности не было необходимости.

Когда военная слава голубей дошла до научного сообщества, ученые задались вопросом — что же делает этих птиц столь искусными навигаторами?

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Следующие десятилетия прошли в попытках подтвердить и объяснить этот феномен. Каких только способностей у голубей не нашли: возможность «слышать» сверхнизкие частоты, видеть ультрафиолет, ориентироваться по звездам и Солнцу. Однако даже такого впечатляющего списка было недостаточно, чтобы объяснить способность голубей и некоторых других птиц ориентироваться в пространстве и определять свое местонахождение по отношению к условному гнезду.

Только в середине 1960-х с гипотезы о магниточувствительности стряхнули пыль, а воззрениям тех времен был брошен вызов (тогда все считали, что птицы используют для ориентации в основном звезды и Солнце). Сначала немецкий ученый Ганс Фромм заметил, что птицы, даже находясь в изолированной комнате, где не видно Солнца и звезд, не теряли способности к ориентации. Фромм предположил, что дело в магнитном поле, однако дальнейшие опыты с помещением птиц в искусственные магнитные поля никаких значимых результатов не дали.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Бурый кожан из рода гладконосых летучих мышей ориентируется по магнитному полю Земли в полете. Способности к магниторецепции обнаружены и у других млекопитающих, в том числе у мышей, кротов и даже оленей.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Затем Вольфганг Вилтшко, также из Германии, решил провести собственный эксперимент с целью проверить, является ли причиной феномена чувствительность птиц к радиоизлучению. Вилтшко использовал ту же самую стальную комнату, что и Фромм: разработанное для имитации условий космоса устройство частично экранировало магнитное поле Земли. Он продержал птиц-зарянок в этой комнате значительно дольше, чем Фромм. Спустя три дня ученый к своему удивлению обнаружил, что птицы успешно научились ориентироваться по линиям слабого магнитного поля, в котором оказались. Это был первый эксперимент, который достоверно продемонстрировал магниторецепцию у животных.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Оказалось, что Фромм держал птиц в слишком сильных магнитных полях, недоступных их восприятию. Вилтшко же использовал слабые магнитные поля, и результаты удалось повторить. В статье 1966 года ученый суммировал: «Зарянки не ориентируются, если держать их в очень слабом магнитном поле. Однако если держать их в таком поле дольше трех дней, то они могут переориентироваться. И если затем изменить горизонтальный компонент этого слабого магнитного поля, поменяв магнитный север, то птицы учтут эти перемены».

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Позже, в 1972 году, появился сам термин «магниторецепция». Новая исследовательская ниша привлекла множество ученых, и к 2015 году способность к магниторецепции смогли обнаружить у бактерий (так называемых магнитотактических), домашних кур, млекопитающих вроде европейской лесной мыши и замбийского землекопа, а также у некоторых видов летучих мышей, лис и оленей.

Несмотря на очевидный прогресс в изучении магниторецепции, ученые до сих пор не могут договориться об ответе на один ключевой вопрос: каков физиологический механизм «магнитного чувства»? Иными словами, какие именно части организма и каким образом за него отвечают?

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
В отличие от многих круглых червей (нематод), Caenorhabditis Elegans не паразитирует, а живет «на свободе». C. elegans — это первый многоклеточный организм, геном которого был полностью секвенирован. У этих нематод два пола: самцы и гермафродиты.

Навигатор в клюве

«Хотя уже ясно, что животные используют чувствительность к магнитному полю Земли для навигации в пространстве, механизм этой способности остается неясен. Используют ли они свои глаза или уши? Магнитное поле нашей планеты легко проходит сквозь тела животных, так что "сенсор" может оказаться даже глубоко внутри мозга», — рассказал профессор Пирс-Шимомура.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Две гипотезы, выработанные в результате многочисленных экспериментов, считают основными. Первая — наличие в некоторых частях организма магнетитов (Fe3O4), — оксидов железа, наиболее сильных магнитов среди всех когда-либо обнаруженных на Земле природных минералов. Предполагается, что при контакте с магнитным полем Земли этот минерал намагничивается, в процессе передавая понятный мозгу животного сигнал.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

В конце XX века магнетиты были обнаружены в клювах некоторых птиц, включая голубей. Ученые предположили, что эти минералы и ответственны за работу «внутреннего компаса». Но исследования в начале XXI века многих заставили разочароваться в этой идее. В частности, в 2005 году появилась работа, в рамках которой было показано, что магнетиты в клювах голубей не реагируют на магнитное поле Земли. А в 2012 году группе ученых из Университетского колледжа Лондона удалось продемонстрировать, что те самые клетки с магнетитами, которые ранее обнаружили в клювах голубей, являются на самом деле макрофагами, неспособными к передаче электрического сигнала. Открытие автоматически лишило эти клетки ответственности за магниторецепцию, заметно навредив имиджу «магнетитной» гипотезы.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Вторая гипотеза, которая набрала популярность уже в 2000-е годы, основывается на исследованиях светочувствительного (к синей части спектра) белка криптохрома, расположенного в сетчатке глаза. Криптохром участвует в регуляции суточных, или циркадных, ритмов у животных и растений. Причем существует два типа этого белка: первый встречается исключительно у беспозвоночных и регулирует суточные ритмы светозависимым способом; криптохром второго типа характерен также для позвоночных и, скорее всего, регулирует суточные ритмы независимо от света.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Согласно результатам экспериментов, проведенных с целью выяснить роль криптохрома в механизме магниторецепции, оба типа белка, возможно, могут участвовать в формировании «магнитного чувства». Одно из наиболее известных и наглядных исследований в этой области было проведено в 2008 году группой из Массачусетского университета. Мушки дрозофилы были помещены в специальный освещенный лабиринт, где их приучили питаться вблизи источника электромагнитного поля. В ходе опыта мушки не смогли найти путь к своей кормушке после того, как ученые «выключили» их криптохром путем блокировки синего участка и ультрафиолета в спектре освещения лабиринта. При «включении» криптохрома насекомые вновь смогли с легкостью найти кормушку-магнит.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Эти результаты позволили ученым предположить, что криптохром все же играет определенную роль в формировании у животных «магнитного чувства». Физиологически за выполнение такой функции могут отвечать особые химические реакции, называемые реакциями пар радикалов: под воздействием света определенной длины волны две части одной молекулы (или просто близко расположенные молекулы) могут запустить каскадную реакцию, которая трансформируется в сигнал для содержащей эту молекулу клетки. Клетка, в свою очередь, оказывается способна передать этот сигнал мозгу. Именно такой механизм, возможно, лежит в основе участия криптохрома в процессе магниторецепции.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Антенна из нейронов

17 июня 2015 года на сайте журнала eLife была опубликована статья, которая вдохнула в область изучения магниторецепции новую жизнь. Впервые ученым удалось найти чувствительные к магнитному полю Земли нейроны и доказать, что они отвечают за работу «магнитного чувства» у животного — в данном случае у червя нематоды C.elegans.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Наш консультант профессор Пирс-Шимомура, один из авторов этого исследования, рассказал, как команде его научной лаборатории удалось совершить это открытие. Нематода C. elegans выбрана неслучайно: ранее при изучении червей этого вида у них были найдены молекулы, отвечающие за обоняние и осязание, которые, как выяснилось, используются и другими животными, в том числе человеком.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Сотрудники лаборатории заметили, что C. elegans при перемещениях почему-то стремится к магниту для холодильника. Чтобы выяснить, относится ли это как-то к магниторецепции, ученые решили проверить, как будут двигаться черви в условиях динамичных магнитных полей. Червей запустили в специальную трубку, вокруг которой искусственно генерировали магнитные поля. Когда трубу ориентировали в соответствии с магнитными полюсами (к примеру, север-юг, запад-восток), нематоды ползали по трубе хаотично. В условиях же вертикальной ориентации трубы черви стали постоянно ползти вниз.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

«Ощущение низа черви получали от магнитного поля Земли, так как когда мы искусственно поменяли магнитное поле вокруг трубки, то нематоды стали ползти вверх», — пояснил профессор. Поведение нематод полностью согласуется с тем, как эти черви обычно мигрируют в Южном полушарии, где магнитное поле направлено вверх. Чтобы определить, каким образом C.elegans чувствуют магнитное поле Земли, ученые точечно разрушили набор сенсорных нейронов червя с помощью специальных мутаций. Повреждение одного набора таких сенсорных нейронов, названных AFD-нейронами, приводило к неспособности червей к магнитной ориентации и остановке вертикального перемещения.

Затем ученые обнаружили, что AFD-нейроны можно активировать магнитными полями. Соответствующая реакция нейрона была получена даже после разрушения его синаптических связей. Это доказало, что AFD-нейроны сами по себе магниточувствительны.

«AFD-нейроны на своих концах обладают впечатляющей структурой, напоминающей антенну, которая может функционировать подобно компасу наномасштабов и гнуться в соответствии с магнитным полем Земли», — пояснил профессор.

По мнению ученого, дальнейшие исследования молекул, обеспечивающих магниточувствительность C. elegans, могут привести к обнаружению аналогичных скрытых молекул в других животных, к примеру, птицах и бабочках. Таким образом, совершенное открытие не только углубило наше понимание феномена магниторецепции у животных, но и, возможно, приблизило нас к полному описанию физиологического механизма этой удивительной способности.

Загрузка статьи...