Далеко не всі земні організми обмежені почуттями, які доступні людині. Деякі з них мають своєрідними надздібностями - наприклад, можуть орієнтуватися в просторі по магнітному полю Землі. Довгий час механізм цього «магнітного почуття» викликав суперечки, однак 2015 рік поклав дебатам кінець.
Зі шкільної лави ми знаємо, яка саме сила захищає все живе на нашій планеті від смертоносного сонячного вітру: це магнітне поле Землі, що породжується рухом рідкого планетарного ядра і відображає небезпечне космічне випромінювання. На поверхні Землі складно знайти таке місце, де можна було б ізолювати себе від цього поля. І все ж в нашому повсякденному житті ми вкрай рідко помічаємо його вплив.
«Ми», проте, це тільки Homo sapiens. Вид, який, як прийнято вважати, володіє лише п'ятьма «традиційними» почуттями: зором, слухом, нюхом, дотиком і смаком. Природа моделлю «п'яти почуттів" не обмежилася. Еволюція створила істот, які здатні сприймати більш повну картину фізичної реальності, ніж люди, використовуючи в своєму сенсорному арсеналі навіть настільки фантастичні види почуттів, як орієнтація в просторі по магнітному полю Землі. Це явище - відчуття магнітного поля - називається магніторецепціі. Але яким організмам і для вирішення яких завдань могло знадобитися настільки екзотичне за людськими мірками почуття?
магніточутливі створення
«Такі тварини, як птахи і метелики, рутинно перетинали континенти задовго до того, як людина винайшла літак. Як і пілоти, ці тварини спираються на важливий інструмент - компас, щоб досягти пункту призначення вночі або в тумані », - розповів« Популярною механіці »фахівець в області нейробіології професор Джонатан Пірс-Шимомура з Техаського університету в Остіні.
Вперше вчені помітили, що птахи чутливі до магнітного поля Землі, в кінці XIX століття. Пізніше відбулися дві світові війни, в ході яких для доставки важливих повідомлень активно використовували поштових голубів. За час Другої світової війни союзники доставили на європейський континент 16 000 поштових птахів. Лише 1% повідомлень, відправлених з голубами, були зашифровані - птахи настільки точно знаходили своїх адресатів, що в додаткові заходи обережності не було необхідності.
Коли військова слава голубів дійшла до наукового співтовариства, вчені задалися питанням - що ж робить цих птахів настільки майстерними навігаторами?
Наступні десятиліття пройшли в спробах підтвердити і пояснити цей феномен. Яких тільки здібностей у голубів не знайшли: можливість «чути» наднизькі частоти, бачити ультрафіолет, орієнтуватися по зірках і Сонцю. Однак навіть такого вражаючого списку було недостатньо, щоб пояснити здатність голубів і деяких інших птахів орієнтуватися в просторі і визначати своє місцезнаходження по відношенню до умовного гнізда.
Тільки в середині 1960-х з гіпотези про магніточутливості струсили пил, а поглядам тих часів був кинутий виклик (тоді всі вважали, що птахи використовують для орієнтації в основному зірки і Сонце). Спочатку німецький вчений Ганс Фромм помітив, що птахи, навіть перебуваючи в ізольованій кімнаті, де не видно Сонця і зірок, не втрачали здатності до орієнтації. Фромм припустив, що справа в магнітному полі, проте подальші досліди з приміщенням птахів в штучні магнітні поля ніяких значимих результатів не дали.
Бурий кажан з роду гладконосих кажанів орієнтується по магнітному полю Землі в польоті. Здібності до магніторецепціі виявлені і у інших ссавців, в тому числі у мишей, кротів і навіть оленів.
Потім Вольфганг Вілтшко, також з Німеччини, вирішив провести власний експеримент з метою перевірити, чи є причиною феномена чутливість птахів до радіовипромінюванню. Вілтшко використовував ту ж саму сталеву кімнату, що і Фромм: розроблене для імітації умов космосу пристрій частково екранує магнітне поле Землі. Він протримав птахів-зарянок в цій кімнаті значно довше, ніж Фромм. Через три дні вчений на свій подив виявив, що птахи успішно навчилися орієнтуватися по лініях слабкого магнітного поля, в якому опинилися. Це був перший експеримент, який достовірно продемонстрував магніторецепціі у тварин.
Виявилося, що Фромм тримав птахів в дуже сильних магнітних полях, недоступних їх сприйняття. Вілтшко ж використовував слабкі магнітні поля, і результати вдалося повторити. У статті 1966 року вчена підсумовував: «зарянка не орієнтуються, якщо тримати їх в дуже слабкому магнітному полі. Однак якщо тримати їх в такому полі довше трьох днів, то вони можуть переорієнтуватися. І якщо потім змінити горизонтальний компонент цього слабкого магнітного поля, помінявши магнітну північ, то птиці врахують ці зміни ».
Пізніше, в 1972 році, з'явився сам термін «магніторецепціі». Нова дослідницька ніша привернула безліч вчених, і до 2015 року здатність до магніторецепціі змогли виявити у бактерій (так званих магнітотактіческіх), домашніх курей, ссавців на зразок європейської лісової миші і замбійського землекопа, а також у деяких видів кажанів, лисиць і оленів.
Незважаючи на очевидний прогрес у вивченні магніторецепціі, вчені до цих пір не можуть домовитися про відповідь на одне ключове питання: який фізіологічний механізм «магнітного почуття»? Іншими словами, які саме частини організму і яким чином за нього відповідають?
На відміну від багатьох круглих черв'яків (нематод), Caenorhabditis Elegans котрий не паразитує, а живе «на волі». C. elegans - це перший багатоклітинний організм, геном якого був повністю секвенирован. У цих нематод дві статі: самці і гермафродити.
Навігатор в дзьобі
«Хоча вже ясно, що тварини використовують чутливість до магнітного поля Землі для навігації в просторі, механізм цієї здатності залишається незрозумілим. Чи використовують вони свої очі або вуха? Магнітне поле нашої планети легко проходить крізь тіла тварин, так що «сенсор» може виявитися навіть глибоко всередині мозку », - розповів професор Пірс-Шимомура.
Дві гіпотези, вироблені в результаті численних експериментів, вважають основними. Перша - наявність в деяких частинах організму магнетитів (Fe3O4), - оксидів заліза, найбільш сильних магнітів серед усіх коли-небудь виявлених на Землі природних мінералів. Передбачається, що при контакті з магнітним полем Землі цей мінерал намагничивается, в процесі передаючи зрозумілий мозку тварини сигнал.
В кінці XX століття магнетити були виявлені в дзьобах деяких птахів, включаючи голубів. Вчені припустили, що ці мінерали і відповідальні за роботу «внутрішнього компаса». Але дослідження на початку XXI століття багатьох змусили розчаруватися в цій ідеї. Зокрема, в 2005 році з'явилася робота, в рамках якої було показано, що магнетити в дзьобах голубів не реагують на магнітне поле Землі. А в 2012 році групі вчених з Університетського коледжу Лондона вдалося продемонструвати, що ті самі клітини з магнетиту, які раніше виявили в дзьобах голубів, є насправді макрофагами, нездатними до передачі електричного сигналу. Відкриття автоматично позбавило ці клітини відповідальності за магніторецепціі, помітно нашкодивши іміджу «магнетітной» гіпотези.
Друга гіпотеза, яка набрала популярність вже в 2000-і роки, грунтується на дослідженнях світлочутливого (до синьої частини спектра) білка криптохрома, розташованого в сітківці ока. Кріптохром бере участь в регуляції добових, або циркадних, ритмів у тварин і рослин. Причому існує два типи цього білка: перший зустрічається виключно у безхребетних і регулює добові ритми світлозалежна способом; криптохром другого типу характерний також для хребетних і, швидше за все, регулює добові ритми незалежно від світла.
Згідно з результатами експериментів, проведених з метою з'ясувати роль криптохрома в механізмі магніторецепціі, обидва типи білка, можливо, можуть брати участь у формуванні «магнітного почуття». Одне з найбільш відомих і наочних досліджень в цій області було проведено в 2008 році групою з Массачусетського університету. Мушки дрозофіли були поміщені в спеціальний освітлений лабіринт, де їх привчили харчуватися поблизу джерела електромагнітного поля. Під час експерименту мушки не змогли знайти шлях до своєї годівниці після того, як вчені «вимкнули» їх криптохром шляхом блокування синього ділянки і ультрафіолету в спектрі освітлення лабіринту. При «включенні» криптохрома комахи знову змогли з легкістю знайти годівницю-магніт.
Ці результати дозволили вченим припустити, що криптохром все ж відіграє певну роль у формуванні у тварин «магнітного почуття». Фізіологічно за виконання такої функції можуть відповідати особливі хімічні реакції, звані реакціями пар радикалів: під впливом світла певної довжини хвилі дві частини однієї молекули (або просто близько розташовані молекули) можуть запустити каскадну реакцію, яка трансформується в сигнал для містить цю молекулу клітини. Клітка, в свою чергу, виявляється здатна передати цей сигнал мозку. Саме такий механізм, можливо, лежить в основі участі криптохрома в процесі магніторецепціі.
Антена з нейронів
17 червня 2015 року на сайті журналу eLife була опублікована стаття, яка вдихнула в область вивчення магніторецепціі нове життя. Вперше ученим вдалося знайти чутливі до магнітного поля Землі нейрони і довести, що вони відповідають за роботу «магнітного почуття» у тварини - в даному випадку у хробака нематоди C.elegans.
Наш консультант професор Пірс-Шимомура, один з авторів цього дослідження, розповів, як команді його наукової лабораторії вдалося зробити це відкриття. Нематода C. elegans обрана не випадково: раніше при вивченні черв'яків цього виду у них були знайдені молекули, що відповідають за нюх і дотик, які, як з'ясувалося, використовуються і іншими тваринами, в тому числі людиною.
Співробітники лабораторії помітили, що C. elegans при переміщеннях чомусь прагне до магніту для холодильника. Щоб з'ясувати, чи стосується це як-то до магніторецепціі, вчені вирішили перевірити, як будуть рухатися черви в умовах динамічних магнітних полів. Черв'яків запустили в спеціальну трубку, навколо якої штучно генерували магнітні поля. Коли трубу орієнтували відповідно до магнітними полюсами (наприклад, північ-південь, захід-схід), нематоди повзали по трубі хаотично. В умовах же вертикальній орієнтації труби черви стали постійно повзти вниз.
«Відчуття низу черви отримували від магнітного поля Землі, так як коли ми штучно змінили магнітне поле навколо трубки, то нематоди стали повзти вгору», - пояснив професор. Поведінка нематод повністю узгоджується з тим, як ці черв'яки зазвичай мігрують в Південній півкулі, де магнітне поле направлено вгору. Щоб визначити, яким чином C. elegans відчувають магнітне поле Землі, вчені точково зруйнували набір сенсорних нейронів хробака за допомогою спеціальних мутацій. Пошкодження одного набору таких сенсорних нейронів, названих AFD-нейронами, призводило до нездатності черв'яків до магнітної орієнтації і зупинці вертикального переміщення.
Потім вчені виявили, що AFD-нейрони можна активувати магнітними полями. Відповідна реакція нейрона була отримана навіть після руйнування його синаптичних зв'язків. Це довело, що AFD-нейрони самі по собі магніточутливого.
«AFD-нейрони на своїх кінцях мають вражаючою структурою, що нагадує антену, яка може функціонувати подібно компасу наномасштабів і гнутися відповідно до магнітним полем Землі», - пояснив професор.
На думку вченого, подальші дослідження молекул, що забезпечують магніточутливого C. elegans, можуть привести до виявлення аналогічних прихованих молекул в інших тварин, наприклад, птахів і метеликів. Таким чином, вчинене відкриття не тільки поглибило наше розуміння феномена магніторецепціі у тварин, але і, можливо, наблизило нас до інформації про продукт фізіологічного механізму цієї дивовижної здатності.
Стаття «Почуття тяжіння» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №9, Сентябрь 2015 ).
Але яким організмам і для вирішення яких завдань могло знадобитися настільки екзотичне за людськими мірками почуття?Коли військова слава голубів дійшла до наукового співтовариства, вчені задалися питанням - що ж робить цих птахів настільки майстерними навігаторами?
Незважаючи на очевидний прогрес у вивченні магніторецепціі, вчені до цих пір не можуть домовитися про відповідь на одне ключове питання: який фізіологічний механізм «магнітного почуття»?
Іншими словами, які саме частини організму і яким чином за нього відповідають?
Чи використовують вони свої очі або вуха?
