Как голуби находят дорогу домой? Мы заглянули им в уши с помощью квантового микроскопа на основе алмаза
Голуби известны своей удивительной способностью находить дорогу домой, ориентируясь в сложных и меняющихся ландшафтах. Их использовали для безопасной связи более 2000 лет назад.
Известно, что голуби используют визуальные ориентиры и могут навигацию по известным маршрутам. Также у них есть магнитное чувство — «магниторецепция», позволяющее ориентироваться по магнитному полю Земли.
Но точный механизм этого явления неизвестен. В исследовании, опубликованном в Proceedings of National Academy of Sciences, мы проверили теорию, связывающую магниторецепцию у почтовых голубей с крошечными скоплениями богатого железом материала в их внутреннем ухе.
Используя новый тип магнитного микроскопа, мы подтвердили, что это не так. Однако технология открыла двери для изучения этого феномена у других видов.
Существующие гипотезы
Учёные десятилетиями исследуют возможные механизмы магниторецепции. Есть две основные теории.
Первая — зрительная модель «свободнорадикальных пар». У голубей и других перелётных птиц в сетчатке глаз есть белки криптохромы. Они создают электрический сигнал, который меняется в зависимости от силы локального магнитного поля. Это потенциально позволяет птицам «видеть» магнитное поле Земли, но теория ещё не подтверждена.
Вторая теория основана на скоплениях магнитного материала внутри птиц, которые могут служить магнитным частицам-компасом. Магнитные частицы известны в природе, например, у магнитотактических бактерий.
Учёные ищут магнитные частицы у разных видов. Более десяти лет назад кандидаты были найдены в верхней части клюва голубей, но последующие работы показали, что эти частицы связаны с хранением железа, а не с магнитным чувством.
Взгляд внутрь уха голубя
Новый поиск ведётся во внутреннем ухе голубей, где в 2013 году были впервые идентифицированы железосодержащие частицы — кутикулосомы.
Отдельные кутикулосомы были обнаружены в определённых областях внутреннего уха голубя, где находятся другие сенсорные системы (например, слух и баланс при полёте). Теоретически, если магнитная сенсорная система существует, она должна располагаться рядом с другими сенсорными системами.
Но чтобы определить, могут ли кутикулосомы действовать как магниторецепторы, нужно изучить их магнитные свойства. Это сложная задача, поскольку кутикулосомы в 1000 раз меньше песчинки. Более того, они найдены только в 30% волосковых клеток внутреннего уха, что затрудняет их идентификацию.
Новый метод исследования
Наша группа в Университете Мельбурна вместе с коллегами из Института молекулярной патологии в Вене и Общества Макса Планка в Бонне использовала новую технологию визуализации для изучения магнитных свойств кутикулосом.
Мы разработали магнитный микроскоп, который использует алмазные сенсоры для визуализации слабых магнитных полей, исходящих от крошечных магнитных частиц.
Опровержение теории
Мы тщательно изучили тонкие срезы внутреннего уха голубя, помещённые непосредственно на алмазные сенсоры. Применяя магнитные поля разной силы к ткани, мы смогли оценить магнитную восприимчивость отдельных кутикулосом.
Наши результаты показали, что магнитные свойства кутикулосом недостаточно сильны, чтобы они могли действовать как магниторецептор на основе магнитных частиц. Фактически, частицам нужно быть в 100 000 раз сильнее, чтобы активировать сенсорные пути, необходимые для магниторецепции у голубей.
Несмотря на то, что поиск неуловимого магниторецептора не увенчался успехом, мы очень воодушевлены потенциалом этой технологии магнитного микроскопа.
Мы надеемся использовать её для изучения множества магнитных кандидатов у различных видов, включая грызунов, рыб и черепах. Это позволит сосредоточиться не только на кутикулосомах, но и на других потенциально магнитных частицах.