Магниторецепция

редактировать

Эксперименты с мигрирующими европейскими малиновками показали, что их магнитное чутье использует квантово- радикальный парный механизм.

Магниторецепция - это чувство, которое позволяет организму обнаруживать магнитное поле Земли. К животным с этим чувством относятся членистоногие, моллюски и позвоночные (рыбы, амфибии, рептилии, птицы и млекопитающие, но не люди). Чувство в основном используется для ориентации и навигации, но оно может помочь некоторым животным составлять региональные карты. Эксперименты на перелетных птицах показывают, что они используют криптохромный белок в глазах, полагаясь на механизм квантовой пары радикалов. воспринимать магнитные поля. Этот эффект чрезвычайно чувствителен к слабым магнитным полям и легко нарушается радиочастотными помехами, в отличие от обычного железного компаса.

У птиц в верхней части клюва есть железосодержащие материалы. Есть некоторые свидетельства того, что это обеспечивает магнитное ощущение, опосредованное тройничным нервом, но механизм неизвестен.

Хрящевые рыбы, включая акул и скатов, могут обнаруживать небольшие изменения электрического потенциала с помощью своих электрорецепторных органов, ампул Лоренцини. Похоже, что они способны обнаруживать магнитные поля по индукции. Есть некоторые свидетельства того, что эти рыбы используют магнитные поля в навигации.

Содержание

  • 1 История
  • 2 Предлагаемые механизмы
    • 2.1 У животных
      • 2.1.1 Криптохром
      • 2.1.2 На основе железа
      • 2.1.3 Электромагнитная индукция
    • 2.2 Пассивное выравнивание у бактерий
  • 3 вопроса без ответа
  • 4 Таксономический диапазон
    • 4.1 У моллюсков
    • 4.2 У насекомых
    • 4.3 У позвоночных
      • 4.3.1 В рыбе
      • 4.3.2 У амфибий
      • 4.3.3 У рептилий
      • 4.3.4 У птиц
      • 4.3.5 У млекопитающих
  • 5 См. также
  • 6 ссылок

История

Биологи давно задавались вопросом, есть ли у мигрирующих животных, таких как птицы и морские черепахи, встроенный магнитный компас, позволяющий им ориентироваться, используя магнитное поле Земли. До конца 20-го века доказательства этого были в основном только поведенческими : многие эксперименты демонстрировали, что животные действительно могут получать информацию из магнитного поля вокруг них, но не давали указаний на механизм. В 1972 году Росвита и Вольфганг Вильчко показали, что перелетные птицы реагируют на направление и наклон (наклон) магнитного поля. В 1977 году MM Walker и его коллеги идентифицировали магниторецепторы на основе железа ( магнетита) в морде радужной форели. В 2003 г. Г. Флейснер и его коллеги обнаружили рецепторы на основе железа в верхней части клюва почтовых голубей, которые, по-видимому, связаны с тройничным нервом животного. Однако исследования пошли в другом направлении в 2000 году, когда Т. Ритц и его коллеги предположили, что белок фоторецептора в глазу, криптохром, является магниторецептором, работающим на молекулярном уровне за счет квантовой запутанности.

Предлагаемые механизмы

У животных

У животных механизм магниторецепции все еще исследуется. В настоящее время обсуждаются две основные гипотезы: одна предлагает квантовый компас, основанный на механизме радикальной пары, другая постулирует более традиционный магнитный компас на основе железа с частицами магнетита.

Криптохром

Механизм радикальной пары был предложен для квантовой магниторецепции у птиц.

Согласно первой модели, магниторецепция возможна по механизму пар радикалов, хорошо зарекомендовавшему себя в спиновой химии. Механизм требует двух молекул, каждая с неспаренными электронами, на подходящем расстоянии друг от друга. Когда они могут существовать в состояниях с осями вращения в одном и том же направлении или в противоположных направлениях, молекулы быстро колеблются между двумя состояниями. Это колебание чрезвычайно чувствительно к магнитным полям. Поскольку магнитное поле Земли чрезвычайно слабое, около 0,5 Гс, механизм радикальных пар в настоящее время является единственным достоверным способом, которым магнитное поле Земли может вызывать химические изменения.

В 1978 году Шультен и его коллеги предположили, что это механизм магниторецепции. В 2000 году ученые предположили, что криптохромфлавопротеин в клетках палочек в глазах птиц — был «магнитной молекулой», стоящей за этим эффектом. Это единственный белок, который, как известно, образует фотоиндуцированные пары радикалов у животных. Функция криптохрома варьируется в зависимости от вида, но его механизм всегда один и тот же: воздействие синего света возбуждает электрон в хромофоре, что вызывает образование радикальной пары, электроны которой квантово запутаны, обеспечивая точность, необходимую для магниторецепции.

Многие линии доказательств указывают на криптохромные и радикальные пары как на механизм магниторецепции у птиц:

  • Несмотря на 20 лет поисков, не было идентифицировано ни одной другой биомолекулы, кроме криптохрома, способной поддерживать пары радикалов.
  • В криптохроме желтая молекула флавинадениндинуклеотида (ФАД) может поглощать фотон синего света, переводя криптохром в активированное состояние: электрон переносится от триптофановой аминокислоты к молекуле ФАД, образуя радикальную пару.
  • Из шести типов криптохромов у птиц криптохром-4а (Cry4a) связывает ФАД намного прочнее, чем остальные.
  • Уровни Cry4a у перелетных птиц, выживание которых зависит от навигации, являются самыми высокими в периоды весенней и осенней миграции, когда навигация является наиболее важной.
  • Белок Cry4a европейской малиновки, перелетной птицы, гораздо более чувствителен к магнитным полям, чем аналогичный, но не идентичный Cry4a голубей и кур, которые не являются мигрирующими.

Эти результаты вместе позволяют предположить, что Cry4a перелетных птиц был выбран из- за его магнитной чувствительности.

Поведенческие эксперименты на перелетных птицах также подтверждают эту теорию. Перелетные птицы, содержащиеся в клетках, такие как малиновки, проявляют миграционное беспокойство, известное этологам как Zugunruhe, весной и осенью: они часто ориентируются в том направлении, в котором они мигрируют. В 2004 году Торстен Ритц показал, что слабое радиочастотное электромагнитное поле, выбранное с той же частотой, что и синглетно-триплетные колебания радикальных пар криптохрома, эффективно мешает птицам ориентироваться. Поле не помешало бы железному компасу. Кроме того, птицы не могут обнаружить переворот магнитного поля на 180 градусов, что они легко обнаружат с помощью компаса на основе железа.

Очень слабые радиочастотные помехи не позволяют перелетным малиновкам правильно ориентироваться в магнитном поле Земли. Поскольку это не мешало бы железному компасу, эксперименты подразумевают, что птицы используют механизм радикальной пары.

С 2007 года Хенрик Моуритсен пытался повторить этот эксперимент. Вместо этого он обнаружил, что малиновки не могли ориентироваться в деревянных хижинах, которые он использовал. Заподозрив чрезвычайно слабые радиопомехи от другого электрооборудования в кампусе, он попытался защитить хижины алюминиевой пленкой, которая блокирует электрические помехи, но не магнитные поля. Когда он заземлил защитное покрытие, малиновки сориентировались правильно; когда заземление было удалено, малиновки ориентировались случайным образом. Наконец, когда малиновок тестировали в шалаше вдали от электрооборудования, птицы правильно ориентировались. Эти эффекты подразумевают компас радикальной пары, а не железный.

В 2016 году Вильчко и его коллеги показали, что криптохром можно активировать в темноте, сняв возражение, что механизм, активируемый синим светом, не будет работать, когда птицы мигрируют ночью. Другая радикальная пара образуется при повторном окислении полностью восстановленного FADH- .Опыты с европейскими малиновками, использующие мерцающий свет и отключаемое при включенном свете магнитное поле, показали, что птицы обнаруживают поле без света. На птиц не влияла местная анестезия верхней части клюва, что свидетельствует о том, что в этих условиях испытаний ориентация не исходила от рецепторов на основе железа в клюве. По их мнению, криптохром и его радикальные пары представляют собой единственную модель, которая может объяснить птичий магнитный компас.

на основе железа

Вторая предложенная модель магниторецепции основана на кластерах, состоящих из железа, природного минерала с сильным магнетизмом, используемого магнитотактическими бактериями. Скопления железа наблюдались в верхней части клюва почтовых голубей и других таксонов. Системы на основе железа могут формировать магниторецептивную основу для многих видов, включая черепах. Как точное расположение, так и ультраструктура железосодержащих магниторецепторов птиц остаются неизвестными; считается, что они находятся в верхней части клюва и связаны с мозгом тройничным нервом. Эта система является дополнением к системе криптохрома в сетчатке птиц. Системы на основе железа с неизвестной функцией могут существовать и у других позвоночных.

Электромагнитная индукция

Желтый скат способен ощущать интенсивность и угол наклона магнитного поля.

Другой возможный механизм магниторецепции у животных — электромагнитная индукция у хрящевых рыбакул, скатов, химер. У этих рыб есть электрорецептивные органы, ампулы Лоренцини, которые могут обнаруживать небольшие колебания электрического потенциала. Органы заполнены слизью и состоят из каналов, которые соединяют поры на коже рта и носа с небольшими мешочками внутри плоти животного. Они используются для ощущения слабых электрических полей добычи и хищников. Было предсказано, что эти органы воспринимают магнитные поля с помощью закона индукции Фарадея : когда проводник движется через магнитное поле, генерируется электрический потенциал. В этом случае проводником является животное, движущееся в магнитном поле, а индуцированный потенциал (V ind) зависит от изменяющейся во времени (t) скорости магнитного потока (Ф) через проводник по закону

В я н г знак равно г ф г т {\ displaystyle V_ {ind} = - {\ frac {d \ phi} {dt}}}.

Ампулы Лоренцини обнаруживают очень небольшие колебания разности потенциалов между порой и основанием электрорецепторного мешочка. Увеличение потенциала приводит к снижению скорости нервной активности. Это аналогично поведению проводника с током. Было показано, что песчаные акулы, Carcharinus plumbeus, способны обнаруживать магнитные поля; эксперименты предоставили неокончательные доказательства того, что у животных был магниторецептор, а не полагались на индукцию и электрорецепторы. Электромагнитная индукция не изучалась у неводных животных.

Желтый скат Urobatis jamaicensis способен различать интенсивность и угол наклона магнитного поля в лаборатории. Это говорит о том, что хрящевые рыбы могут использовать магнитное поле Земли для навигации.

Пассивное выравнивание у бактерий

Магнетитовые магнитосомы гаммапротеобактерий штамма SS-5. (A) Цепочка сильно вытянутых магнитосом. (Б) Часть цепи. (C) Магнитосома в правом нижнем углу на (B), если смотреть вдоль направления, с ее преобразованием Фурье в правом нижнем углу. [ 1 1 ¯ 0 ] {\ displaystyle \ scriptstyle [1 {\ overline {1}} 0]}

Магнитотактические бактерии многих таксонов содержат достаточное количество магнитного материала в виде магнитосом, частиц магнетита нанометрового размера, что магнитное поле Земли пассивно выравнивает их, как это происходит со стрелкой компаса. Таким образом, бактерии на самом деле не воспринимают магнитное поле.

Возможным, но неизученным механизмом магниторецепции у животных является эндосимбиоз с магнитотактическими бактериями, ДНК которых широко распространена у животных. Это предполагает, что эти бактерии живут внутри животного, а их магнитное выравнивание используется как часть магниторецептивной системы.

Вопросы без ответов

Остается вероятным, что два или более взаимодополняющих механизма играют роль в обнаружении магнитного поля у животных. Конечно, эта потенциальная теория двойного механизма поднимает вопросы о том, в какой степени каждый метод отвечает за стимул и как они производят сигнал в ответ на слабое магнитное поле Земли.

Кроме того, не исключено, что магнитные чувства у разных видов могут быть разными. Некоторые виды могут различать только север и юг, в то время как другие могут различать только экватор и полюса. Хотя способность чувствовать направление важна в миграционной навигации, многие животные обладают способностью ощущать небольшие колебания магнитного поля Земли, чтобы определить свое положение с точностью до нескольких километров.

Таксономический диапазон

Магниторецепция широко распространена таксономически. Он присутствует у многих животных, исследованных до сих пор. К ним относятся членистоногие, моллюски, а среди позвоночных – рыбы, земноводные, рептилии, птицы и млекопитающие. Его статус в других группах остается неизвестным.

Способность обнаруживать магнитные поля и реагировать на них может существовать у растений, возможно, как и у животных, опосредованная криптохромом. Эксперименты разных ученых выявили множественные эффекты, в том числе изменения скорости роста, прорастания семян, митохондриальной структуры и реакции на гравитацию ( геотропизм ). Результаты иногда были противоречивыми, и ни один механизм не был точно идентифицирован. Эта способность может быть широко распространена, но ее таксономический диапазон у растений неизвестен.

эукариоты
Животные
Позвоночные

Рыбы вкл. нерка Нерка плывет вправо (обрезано).jpg

Амфибии вкл. пещерная саламандра Пещерная Саламандра (26370964153) (обрезано).jpg

Млекопитающие вкл. большая коричневая летучая мышь Большая коричневая летучая мышь.jpg

Рептилии вкл. коробчатая черепаха Коробчатая черепаха Флориды, округ Глинн, Джорджия, США.jpg

Птицы вкл. почтовый голубь Почтовый голубь.jpg

Насекомые

Диптера Инк. плодовая муха Drosophila melanogaster — сбоку (иначе).jpg

Перепончатокрылые вкл. пчела Эйн Безухер в unserem Garten.jpg

Моллюски вкл. гигантский морской слизень Точуина тетракетра.jpg

Растения вкл. горох Прорастание семян гороха.jpg

криптохром  

У моллюсков

Гигантский морской слизень Tochuina gigantea (ранее T. tetraquetra), моллюск, ориентирует свое тело между севером и востоком перед полнолунием. Эксперимент 1991 года предлагал правый поворот на геомагнитный юг и левый поворот на геомагнитный восток ( лабиринт в форме буквы Y ). 80% Точуины повернули на магнитный восток. Когда поле было перевернуто, животные не отдавали предпочтения ни одному из поворотов. Нервная система Точуины состоит из индивидуально идентифицируемых нейронов , четыре из которых стимулируются изменениями в приложенном магнитном поле, а два тормозятся такими изменениями. Следы сходного вида Tritonia exsulans становятся более изменчивыми по направлению, когда они находятся рядом с сильными редкоземельными магнитами, помещенными в их естественную среду обитания, что позволяет предположить, что животное постоянно использует свое магнитное чутье, чтобы двигаться по прямой.

У насекомых

Плодовая мушка Drosophila melanogaster может ориентироваться в магнитных полях. В одном тесте на выбор мух загружали в устройство с двумя рукавами, окруженными электрическими катушками. Ток проходил через каждую из катушек, но только одна была настроена на создание магнитного поля силой 5 Гс (примерно в десять раз сильнее, чем магнитное поле Земли) за раз. Мух обучали ассоциировать магнитное поле с сахарозой. Мухи с измененным криптохромом, например с антисмысловой мутацией, не были чувствительны к магнитным полям.

Магниторецепция была подробно изучена у насекомых, включая медоносных пчел, муравьев и термитов. Муравьи и пчелы ориентируются, используя свое магнитное чутье, как локально (возле своих гнезд), так и во время миграции. В частности, бразильская пчела без жала Schwarziana quadripunctata способна обнаруживать магнитные поля с помощью тысяч волосовидных сенсилл на своих антеннах.

У позвоночных

В рыбе

Исследования магниторецепции у костистых рыб проводились в основном на лососевых. И нерка ( Oncorhynchus nerka), и чавыча ( Oncorhynchus tschawytscha) обладают чувством компаса. Это было продемонстрировано в экспериментах 1980-х годов путем изменения оси магнитного поля вокруг круглого аквариума с молодью рыб; они переориентировались в соответствии с полем.

У земноводных

Некоторые из самых ранних исследований магниторецепции у амфибий были проведены с пещерными саламандрами ( Eurycea lucifuga). Исследователи разместили группы пещерных саламандр в коридорах, выровненных либо по магнитному направлению север-юг, либо по магнитному направлению восток-запад. При испытаниях магнитное поле экспериментально поворачивалось на 90°, а саламандры размещались в крестообразных конструкциях (один коридор по новой оси север-юг, один по новой оси восток-запад). Саламандры отреагировали на вращение поля.

Тритоны с красными пятнами ( Notophthalmus viridescens) реагируют на резкое повышение температуры воды, направляясь к суше. Поведение нарушается, если магнитное поле экспериментально изменяется, что показывает, что тритоны используют поле для ориентации.

Как европейские жабы ( Bufo bufo), так и жабы-наттерджеки ( Epidalea calamita) жабы полагаются на зрение и обоняние при миграции к местам размножения, но магнитные поля также могут играть роль. При случайном перемещении на 150 метров от места своего размножения эти жабы могут вернуться назад, но эту способность можно нарушить, оснастив их маленькими магнитами.

У рептилий

Магниторецепция играет роль в направлении вылупившихся болванов к морю.

В большинстве исследований магниторецепции у рептилий участвуют черепахи. Ранняя поддержка магниторецепции у черепах была обеспечена в эксперименте 2010 года на Terrapene carolina, коробчатой ​​черепахе. После обучения группы этих коробчатых черепах плавать либо к восточной, либо к западной оконечности экспериментального резервуара, сильный магнит нарушил изученные маршруты.

Ориентация к морю, наблюдаемая у вылупившихся черепах, может частично зависеть от магниторецепции. У логгерхедовых и кожистых черепах размножение происходит на пляжах, и после вылупления потомство быстро уползает в море. Хотя различия в плотности света, по-видимому, определяют это поведение, магнитное выравнивание, по-видимому, играет определенную роль. Например, естественные предпочтения этих детенышей в направлении (которые приводят их от пляжей к морю) меняются на противоположные при экспериментальной инверсии магнитных полюсов.

У птиц

Почтовые голуби используют магнитные поля как часть своей сложной навигационной системы. Уильям Китон показал, что почтовые голуби со сдвигом во времени (акклиматизированные в лаборатории к другому часовому поясу) не могут правильно ориентироваться в ясный солнечный день; это связано с тем, что голуби со сдвигом во времени не могут точно компенсировать движение солнца в течение дня. И наоборот, голуби со сдвигом во времени, выпущенные в пасмурные дни, правильно ориентируются, что позволяет предположить, что голуби могут использовать магнитные поля для ориентации; эту способность можно нарушить с помощью магнитов, прикрепленных к спине птиц. Голуби могут обнаруживать магнитные аномалии до 1,86 Гс.

Долгое время система тройничного нерва была предполагаемым местом для магниторецептора на основе магнетита у голубя. Это было основано на двух выводах: во-первых, клетки, содержащие магнетит, были обнаружены в определенных местах в верхней части клюва. Однако клетки оказались макрофагами иммунной системы, а не нейронами, способными обнаруживать магнитные поля. Во-вторых, обнаружение магнитного поля голубя нарушается из-за перерезки тройничного нерва и применения лидокаина, анестетика, к обонятельной слизистой оболочке. Однако лечение лидокаином может привести к неспецифическим эффектам и не представлять прямого воздействия на потенциальные магниторецепторы. В результате участие тройничной системы все еще обсуждается. При поиске рецепторов магнетита во внутреннем ухе голубей была обнаружена крупная железосодержащая органелла ( кутикулосома) с неизвестной функцией. Областями мозга голубя, реагирующими повышенной активностью на магнитные поля, являются задние вестибулярные ядра, дорсальный таламус, гиппокамп и зрительный гиперпаллий.

Домашние куры имеют отложения минералов железа в сенсорных дендритах в верхней части клюва и способны к магниторецепции. Обрезка клюва приводит к потере магнитного чувства.

У млекопитающих

Некоторые млекопитающие способны к магниторецепции. Когда мокриц удаляют из их дома и лишают зрительных и обонятельных сигналов, они ориентируются в сторону своих домов до тех пор, пока к их клетке не будет приложено инвертированное магнитное поле. Когда тем же мышам разрешен доступ к визуальным сигналам, они могут ориентироваться в направлении дома, несмотря на наличие перевернутых магнитных полей. Это указывает на то, что мокрицы используют магнитные поля для ориентации, когда другие сигналы недоступны. Магнитное чувство мокриц, вероятно, основано на механизме пар радикалов.

Замбийский землекоп — одно из нескольких млекопитающих, которые используют магнитные поля, в их случае для ориентации гнезда.

Замбийский землекоп, подземное млекопитающее, использует магнитные поля, чтобы ориентироваться в гнезде. В отличие от мокриц, замбийские слепыши не полагаются на магниторецепцию на основе пар радикалов, возможно, из-за их подземного образа жизни. Экспериментальное воздействие магнитных полей приводит к увеличению нейронной активности в верхнем двухолмии, о чем свидетельствует непосредственная экспрессия генов. Уровень активности нейронов в пределах двух уровней верхнего бугра, внешнего подслоя промежуточного серого слоя и глубокого серого слоя, повышался неспецифическим образом при воздействии различных магнитных полей. Однако во внутреннем подслое промежуточного серого слоя (InGi) было два или три скопления клеток, которые реагировали более специфическим образом. Чем больше времени слепыши подвергались воздействию магнитного поля, тем выше экспрессия гена в InGi.

Летучие мыши могут использовать магнитные поля для ориентации. Они используют эхолокацию для навигации на короткие расстояния. Когда больших коричневых летучих мышей ( Eptesicus fuscus ) извлекают из их гнезд и подвергают воздействию магнитных полей, повернутых на 90 градусов относительно магнитного севера, они дезориентируются; неясно, используют ли они магнитное чувство в качестве карты, компаса или калибратора компаса. Другой вид летучих мышей, большая ушастая летучая мышь ( Myotis myotis ), по-видимому, использует магнитное поле Земли в качестве своего компаса, но калибрует его по направлению заката.

Рыжие лисицы ( Vulpes vulpes) могут использовать магниторецепцию при охоте на мелких грызунов, таких как мыши и полевки. Они нападают на эту добычу, используя специфический высокий прыжок, предпочитая северо-восточное направление по компасу. Успешные атаки плотно сгруппированы на севере.

Люди не обладают магнитным чутьем, несмотря на наличие криптохрома (cry2) в сетчатке, который магниточувствителен при воздействии света. Исследование 2019 года показало, что магнитные поля действительно влияют на альфа-мозговые волны человека, но неизвестно, приводит ли это к каким-либо изменениям в поведении.

Смотрите также

Рекомендации

Последняя правка сделана 2023-12-31 01:26:53
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте