Почуття тяжіння

Далеко не всі земні організми обмежені почуттями, які доступні людині. Деякі з них мають своєрідні надздібності — наприклад, можуть орієнтуватися в просторі по магнітному полю Землі. Довгий час механізм цього «магнітного почуття» викликав суперечки, однак 2015 рік, можливо, покладе дебатам край.

Зі шкільної лави ми знаємо, яка саме сила огороджує все живе на нашій планеті від смертоносного сонячного вітру: це магнітне поле Землі, породжуване 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 у нашому повсякденному житті ми дуже рідко помічаємо його вплив.

«Ми», однак, 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 магніторецепцією. Але яким організмам і для вирішення яких завдань могло знадобитися таке екзотичне за людськими мірками почуття?

Магніточні створіння

«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» Популярній механіці «фахівець у галузі нейробіології професор Джонатан Пірс-Шимомура з Техаського університету в Остіні.

Вперше вчені помітили, що птахи чутливі до магнітного поля Землі, наприкінці XIX століття. Пізніше відбулися дві світові війни, під час 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 додаткових заходах обережності не було необхідності.

Коли військова слава голубів дійшла до наукової спільноти, вчені задалися питанням — що ж робить цих птахів такими 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 магніточутливість струснули пил, а поглядами тих часів був кинутий виклик (тоді всі вважали, що птахи використовують для орієнтації в основному зірки і Сонце). Спочатку німецький вчений Ганс Фромм зауважив, 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 у штучні магнітні поля ніяких значущих результатів не дали.

Потім Вольфганг Вілтшко, також з Німеччини, вирішив провести власний експеримент з метою перевірити, чи є причиною феномену чутливість птахів до радіовипромінювання. Вілтшко використовував ту ж саму сталеву кімнату, що і Фромм: розроблений для імітації умов космосу пристрій частково екранував магнітне поле Землі. Він протримав птахів-зарядів у 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 магніторецепцію у тварин.

Виявилося, що Фромм тримав птахів в занадто сильних магнітних полях, недоступних їх сприйняттю. Вілтшко ж використовував слабкі магнітні поля, і результати вдалося повторити. У статті 1966 року вчений підсумував: «Зорянки 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, змінивши магнітну північ, то птахи врахують ці зміни «.

Пізніше, 1972 року, з’явився сам термін «магніторецепція». Нова дослідницька ніша привернула безліч вчених, і до 2015 року здатність до магніторецепції змогли виявити у бактерій (так званих магнітотактичних), домашніх курей, ссавців на зразок європейської лісової миші і замбійського землекопа, а також у деяких видів кажанів, лисиць і оленів.

Бурий шкірян з роду гладконосих кажанів орієнтується по магнітному полю Землі в польоті. Здібності до магніторецепції виявлені і у інших ссавців, у тому числі у мишей, кротів і навіть оленів

Незважаючи на очевидний прогрес у вивченні магніторецепції, вчені досі 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?

Навігатор у дзьобі

«Хоча вже ясно, що тварини використовують чутливість до магнітного поля Землі для навігації в просторі, механізм цієї здатності залишається неясним. Чи вони використовують свої очі чи 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 у 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 намагається, в процесі передаючи зрозумілий мозку тваринного сигнал.

Наприкінці XX століття магнетити виявили в дзьобах деяких птахів, включаючи голубів. Вчені припустили, що ці мінерали і відповідальні за роботу «внутрішнього компасу». 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 магнетитами, які раніше виявили в дзьобах голубів, є насправді макрофагами, нездатними до передачі електричного сигналу. Відкриття автоматично позбавило ці клітини відповідальності за магніторецепцію, помітно нашкодивши іміджу «магнетитної» гіпотези.

Друга гіпотеза, яка набрала популярність вже в 2000-ті роки, ґрунтується на дослідженнях світлочутливого (до синьої частини спектру) білка криптохрому, розташованого в сітківці ока. Криптохром бере участь у регуляції добових, або циркадних, ритмів у тварин і рослин. Причому існує два типи цього білка: перший зустрічається виключно біля безхребетних і регулює добові ритми світлозалежним 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 криптохрому в механізмі магніторецепції, обидва типи білка, можливо, можуть брати участь у формуванні «магнітного почуття». Одне з найбільш відомих і наочних досліджень у цій галузі було проведено в 2008 році групою з Массачусетського університету. Мушки дрозофіли були поміщені в спеціальний освітлений лабіринт, де їх привчили живитися поблизу джерела електромагнітного поля. В ході досвіду мушки не змогли знайти шлях до своєї годівниці після того, як вчені «вимкнули» їх криптохром шляхом блокування синьої ділянки і ультрафіолету в спектрі освітлення лабіринту. При «включенні» криптохрому 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 клітини, що містить цю молекулу. Клітина, у свою чергу, виявляється здатною передати цей сигнал мозку. Саме такий механізм, можливо, лежить в основі участі криптохрому в процесі магніторецепції.

Антена з нейронів

17 червня 2015 року на сайті журналу eLife була опублікована стаття, яка вдихнула в область вивчення магніторецепції нове життя. Вперше вченим 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.

Зірки зі світу червей

В відміну від багатьох круглих хробаків (нематод), Caenorhabditis elegans не паразитує, а живе «на волі». C. elegans — це перший багатоклітинний організм, геном якого був повністю секвенований. У цих нематод дві статі: самці та гермафродити «)» >

Зірки зі світу червей

В відміну від багатьох круглих хробаків (нематод), Caenorhabditis elegans не паразитує, а живе «на волі». C. elegans — це перший багатоклітинний організм, геном якого був повністю секвенований. У цих нематод дві статі: самці і гермафродити

Наш консультант професор Пірс-Шимомура, один з авторів цього дослідження, розповів, як команді його наукової лабораторії вдалося зробити це відкриття. Нематода C. elegans обрана невипадково: раніше при вивченні хробаків цього виду у них були знайдені молекули, що відповідають за нюх і зобов’язання, які, як з’ясувалося, використовуються й іншими тваринами, в тому числі людиною.

Співробітники лабораторії помітили, що C. elegans при переміщеннях чомусь прагне до магніту для холодильника. Щоб з’ясувати, чи відноситься це якось до магніторецепції, вчені вирішили перевірити, як рухатимуться хробаки в умовах динамічних магнітних полів. Хробаків запустили в спеціальну трубку, навколо якої штучно генерували магнітні поля. Коли трубу орієнтували відповідно до магнітних полюсів (наприклад, північ-південь, захід-схід), нематоди повзали по трубі хаотично. В умовах же вертикальної орієнтації труби хробаки стали постійно повзти вниз.

«Відчуття низу хробаки отримували від магнітного поля Землі, так як коли ми штучно поміняли магнітне поле навколо трубки, то нематоди стали повзти вгору», — пояснив професор. Поведінка нематод повністю узгоджується з тим, як ці хробаки 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 хробаків до магнітної орієнтації і зупинки 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 магніточуттєві.

«AFD-нейрони на своїх кінцях володіють вражаючою структурою, що нагадує антену, яка може функціонувати подібно компасу наномасштабів і гнутися відповідно до магнітного поля Землі», — пояснив професор.

На думку вченого, подальші дослідження молекул, що забезпечують магніточутливість C. elegans, можуть призвести до виявлення аналогічних прихованих молекул в інших тварин, наприклад, птахах і метеликах.

Таким чином, досконале відкриття не тільки поглибило наше розуміння феномену магніторецепції у тварин, але і, можливо, наблизило нас до повного опису фізіологічного механізму цієї дивовижної здібності.