Как животные чувствуют магнитное поле Земли

Секреты магниторецепции — способности некоторых животных ощущать магнитное поле Земли — начинают постепенно раскрываться. Новое исследование демонстрирует магнитную чувствительность в полностью искусственном белке, что поможет в дальнейшем изучении этого феномена.

Способность к магниторецепции объясняет, как почтовые голуби совершают перелёты без GPS, а морские черепахи находят для кладки яиц тот же пляж, на котором родились сами. Этот механизм есть у птиц, омаров, радужной форели, тритонов, голых землекопов, многих растений и других организмов.

Исследование учёных из Университета Пенсильвании, Университета Темпл и Оксфордского университета проливает свет на биофизический процесс, известный как механизм радикальных пар, который может быть белковой основой магниторецепции.

Теории магниторецепции

Существует три основные теории, и все они могут быть верны для разных животных:

1. Магнитные минералы. Бактерии и фитопланктон генерируют биологические кристаллы магнетита, позволяющие чувствовать магнитное поле. Предполагается, что они есть и в клювах птиц.
2. Электромагнитная индукция. Водные животные, чувствительные к электрическим зарядам, могут преобразовывать электрорецепцию в магнитную чувствительность с помощью внутренних клеточных или нейронных механизмов.
3. Биохимическая реакция с образованием радикальных пар — квантово запутанных молекул с неспаренными электронами. Белки криптохромы образуют радикальные пары после активации поглощением энергии. Криптохромы в глазах птиц могут быть ключом к пониманию магниторецепции.

В криптохромах радикальные пары образуются из синглетного состояния (неспаренные электроны имеют противоположные спины). При переходе в триплетное состояние (спины одинаковы) обратный перенос электрона невозможен, пока пара не вернётся в синглетное состояние. Магнитное поле влияет на скорость этого перехода и, следовательно, на время жизни радикальной пары.

По словам ведущего автора Криса Бяласа, прорывом исследования стало образование радикальных пар именно из триплетного, а не синглетного состояния: «Радикальная пара менее реакционноспособна в триплетном состоянии, что означает её более низкую энергию и более длительное время жизни». Это открывает двери для множества белков, которые могут участвовать в этом процессе.

Искусственная магниторецепция

Исследователи индуцировали магнитную чувствительность через механизм радикальных пар, используя «искусственный белок». В природных криптохромах для создания магнитосенсора требуется соединение флавин и три триптофана (тип аминокислот). Команда Бяласа создала криптохром-подобный сенсор всего с одним триптофаном, показав возможность «сделать больше с меньшим». Их искусственный белок также функционирует при комнатной температуре, в отличие от большинства аналогичных экспериментов, проводимых при криогенных температурах.

Маргарет Ахмад, научный руководитель Национального центра научных исследований Университета Сорбонны, отмечает, что работа демонстрирует возможность проектировать молекулы с «отличными от их биологических "шаблонов" механизмами реакций», создавая минимальное искусственное соединение, имитирующее ответ биологического рецептора.

Поскольку искусственные белки проще и стабильнее природных, «реальный тест придётся проводить на естественно встречающихся криптохромах», — говорит Бялас. Однако его исследование показывает, что магнитную чувствительность можно создать с помощью большего разнообразия белков, чем считалось ранее.

Квантовые эффекты и последствия

Вопросы о магниторецепции животных породили новую область — квантовую биологию. Учёные исследуют, как квантовая механика влияет на биологию. У людей тоже есть криптохромы (они регулируют циркадные ритмы), и изучается, могут ли магнитные поля вызывать заболевания через них.

Ахмад подчёркивает важность этой работы, отмечая, что «становится всё более очевидным, что даже слабые электромагнитные поля, включая низкочастотные радиочастотные поля и поля от электронного оборудования и энергосетей, оказывают физиологическое воздействие на различные типы клеток». Она также отмечает медицинский потенциал эффектов магнитного поля, например, использование осциллирующих низкочастотных полей для генерации активных форм кислорода, которые в низких дозах могут лечить травмы.

Недавнее исследование также предполагает, что некоторые люди могут быть чувствительны к магнетизму.

Магниторецепция имеет астробиологические последствия, особенно на планетах с более сильными (и менее экранированными атмосферой) магнитными полями, чем у Земли. Бялас полагает, что внеземные организмы могли бы использовать магниторецепцию для поиска ресурсов, таких как железо, или избегания ядовитых веществ, например, солей хрома (VI), а также для охоты на железобактерии или защиты от хищников.

Ахмад добавляет, что «исследование магнитных полей имеет решающее значение для миссий на Марс или любого длительного космического путешествия», учитывая «глубокие эффекты» удаления организмов от земного магнитного поля. Учёным предстоит изучить эти эффекты и способы компенсации их, чтобы подготовить людей к жизни на Марсе или в других мирах.