Шестое чувство: как животные используют магнитное поле Земли для ориентации
Многие животные используют магнитное поле Земли для ориентации, но механизм этого процесса в значительной степени остаётся загадкой. В Ольденбургском университете междисциплинарная группа исследователей работает над её разгадкой.
Молодые певчие птицы, такие как зарянки, совершают ночные перелёты в одиночку, преодолевая тысячи километров. Их мозг весит менее грамма, а навигационные системы невероятно точны. Профессор Хенрик Муритсен и его коллеги из Научно-исследовательского центра (Collaborative Research Center, CRC) изучают, как позвоночные, особенно перелётные птицы, используют геомагнитное поле.
Квантовый эффект в биомолекулах
Основная гипотеза заключается в том, что магнитный сенсор находится в глазах птиц и основан на квантово-физическом процессе в клетках сетчатки. Ключевым кандидатом на роль сенсора является белок криптохром 4, обнаруженный в сетчатке зарянок.
- Механизм: Под действием синего света в криптохроме 4 образуются радикальные пары — молекулы с неспаренным электроном. Они создают когерентное квантово-механическое состояние, длящееся доли секунды. В этот момент белок чувствителен к слабому магнитному полю Земли, и его направление определяет, в какой из двух возможных продуктов превратится криптохром.
- Подтверждение: В 2021 году группа Муритсена и Оксфордского университета впервые произвела большое количество криптохрома 4 зарянки в лаборатории и с помощью магнитного резонанса и спектроскопии доказала его выраженную чувствительность к магнитным полям. Результаты были опубликованы на обложке журнала Nature.
Компьютер как микроскоп
Профессор Илья Соловьёв моделирует поведение всех атомов в белке (около 100 000) с помощью суперкомпьютера, используя уравнения движения Ньютона, законы термодинамики и квантовой физики. Такое моделирование позволило:
- Выявить ключевые структурные элементы криптохрома, ответственные за его магнитные свойства.
- Изучить различия в криптохромах других организмов (зебровых амадин, кур, черноголовок, рыб).
Передача сигнала в нервную систему
Профессор Карл-Вильгельм Кох исследует, как магнитный стимул передаётся дальше в клетке. Его команда нашла в геномных библиотеках шесть белков-кандидатов, взаимодействующих с криптохромом 4. Два из них изучаются детально:
- Зрительный пигмент, чувствительный к красному свету.
- Белок, передающий сигналы внутри клеток.
Оба белка образуют комплекс с криптохромом 4. Это взаимодействие может означать, что магнитный стимул либо запускает ту же сигнальную цепь, что и зрительный, либо активирует свой собственный, ещё неизвестный путь.
Светочувствительные клетки как сенсоры
Все три белка (криптохром 4 и два кандидата) производятся в одних и тех же клетках сетчатки — двойных колбочках. Эти фоторецепторы, составляющие 30–40% клеток в глазах птиц, вероятно, и являются местом магнитного восприятия.
- Учёные предполагают, что молекулы криптохрома закреплены и выровнены в параллельных мембранах на периферии клеток, что повышает их чувствительность к направлению поля.
- Нейробиолог профессор Карин Дедек изучает, как двойные колбочки и их связи с другими нейронами кодируют стимулы и передают сигнал в мозг.
Обработка магнитных сигналов, вероятно, происходит в области мозга Cluster N. В 2009 году группа Муритсена доказала, что при отключении этой области птицы теряют способность ориентироваться по магнитному полю, но сохраняют возможность использовать солнечный и звёздный компас.
Электросмог сбивает птиц с курса
Полевые исследования орнитолога доктора Хайко Шмальйоханна проверяют, влияет ли электромагнитный шум (электросмог) на свободно летящих птиц. Его эксперименты на зарянках и каменках на острове Гельголанд показали, что птицы используют для ориентации несколько источников информации: звёзды, магнитное поле или наземные ориентиры.
Птицы, вероятно, не полагаются на один компас. Помимо звёзд, магнитного поля и ориентиров, они могут использовать траекторию солнца и обоняние. Предполагается также наличие второго магнитного сенсора в клюве (возможно, на основе крошечных кристаллов железа), который работает как карта.
Исследователи CRC собирают данные со всего мира, чтобы понять, какой компас играет ключевую роль на разных этапах миграции. «Лёгкая часть нашей работы позади, — говорит Муритсен. — Теперь начинается самое интересное».