Как устроен геомагнитный компас животных
Магнитная стрелка биокомпаса представляет собой белковый комплекс с постоянным магнитным моментом.
Сейчас в биологии накопилось уже довольно много свидетельств в пользу того, что животные могут ориентироваться по геомагнитному полю. Как мы знаем, около экватора силовые линии магнитного поля планеты почти параллельны земной поверхности; при движении к полюсам они образуют всё больший угол; наконец, на полюсах они перпендикулярно входят в поверхность Земли. Другой параметр поля, его сила, максимальна у полюсов и слабеет при движении к экватору. Очевидно, что умение «ловить» хотя бы один из этих параметров может сильно помочь в навигации. И действительно, примеры геомагнитной ориентации можно найти у рыб, морских черепах, птиц и ряда других видов; вообще же впервые способность ориентации в магнитном поле была обнаружена ещё в 1960-х годах как раз у птиц. Однако с тех самых пор биологов мучает одна проблема – им никак не удаётся найти орган магнитного чувства; то есть, получается, что само чувство есть, а рецепторов для него нет.
Время от времени появляются сообщения о том, что обнаружен тот или иной компонент системы магнитной рецепции. Так, в 2012 году зоологи из Мюнхенского университета Людвига – Максимилиана описали магниточувствительные клетки, находящиеся в радужной оболочке глаза у форели. В том же году исследователи из Университета Бейлора опубликовали в Science статью, в которой говорилось о нейронах в мозге птиц, которые реагировали на изменения магнитного поля. Но вопрос о рецепторах, тем не менее, оставался открытым – от какого органа к таким нейронам могут приходить сигналы?
В рецепторных клетках должно быть что-то, что реагирует на магнитное поле, и это «что-то», очевидно, должно быть соединением железа. Сначала считали, что птичьим магнитным компасом служит клюв, затем в теории «магнитного клюва» как будто разочаровались – в нём так и не нашли рецепторов, которые могли чувствовать магнитное поле. В 2013 году в Current Biology вышла статья с описанием железных микрошариков, найденных в клетках внутреннего уха птиц. Однако действительно ли микрошарики помогают чувствовать изменения в магнитном поле? Кроме того, они есть только у пернатых, и тогда остаётся вопрос, с помощью чего ориентируются в геомагнитном поле другие животные.
Исследователям из Пекинского университета, Университета Цинхуа и Китайской академии наук удалось определить белки, которые могут служить универсальной магнитной антенной для самых разных видов живых существ. Магнитное чувство обычно сводят к двум молекулярным механизмам: один основан на соединениях, в состав которых входят оксиды железа, в другом предполагается участие белка Cry, которые реагирует на магнитное поле. Однако сам по себе Cry вряд ли способен работать рецептором. Цань Се (Can Xie) и его коллеги прочесали геном дрозофилы на предмет потенциальных партнёров Cry – им оказался белок MagR, в структуру которого входят кластеры атомов железа и серы (без железа в магнитном чувстве всё-таки никак не обойтись).
Вскоре выяснилось, что и Cry, и MagR есть не только у дрозофил, но и у голубей, бабочек, крыс, акул, людей и других животных, и что у всех них эти белки довольно консервативны, то есть они мало менялись в ходе эволюции. Дальнейшие эксперименты позволили построить модель магнитного биокомпаса: в статье в Nature Materials авторы пишут, что молекулы белков складываются во что-то вроде нанопалочки, которая обладает постоянным магнитным моментом (благодаря железо-серным структурам) и располагается в пространстве согласно направлению внешнего магнитного поля. То есть Cry и MagR формируют настоящую стрелку компаса, и теперь остаётся только понять, как клетка, в которой такая стрелка находится, чувствует её повороты: может быть, она задевает за какие-то цитоскелетные структуры, может, непосредственно включает и выключает ионные каналы, от которых зависит генерация нейрохимического импульса.
В пользу такого компаса говорит то, что он, очевидно, универсален – как было сказано выше, белки Cry и MagR есть у многих, если не у всех, животных (только кто-то научился использовать их как магнитный сенсор, а кто-то – нет) – и что с его помощью можно отслеживать как интенсивность, так и направление поля. Однако если взять тех же голубей, то они способны чувствовать такую вещь, как магнитное наклонение, то есть угол, на который отклоняется стрелка под действием магнитного поля Земли в вертикальной плоскости. Комплекс MagR/Cry, судя по тому, как его описывают, вряд ли может регистрировать ещё и наклонение, так что не исключено, что, кроме него, существуют ещё и другие молекулярные системы магнитного чувства.
По материалам The Scientist.
