Животные «видят» магнитное поле: секреты летучих мышей

Далеко не все земные организмы ограничены чувствами, которые доступны человеку. Некоторые из них обладают своеобразными сверхспособностями – к примеру, могут ориентироваться в пространстве по магнитному полю Земли. Долгое время механизм этого «магнитного чувства» вызывал споры, однако 2015 год положил дебатам конец.

Со школьной скамьи мы знаем, какая именно сила ограждает все живое на нашей планете от смертоносного солнечного ветра: это магнитное поле Земли, порождаемое движением жидкого планетарного ядра и отражающее опасное космическое излучение. На поверхности Земли сложно найти такое место, где можно было бы изолировать себя от этого поля. И все же в нашей повседневной жизни мы крайне редко замечаем его воздействие.

«Мы», однако, это только Homo sapiens. Вид, который, как принято считать, обладает лишь пятью «традиционными» чувствами: зрением, слухом, обонянием, осязанием и вкусом. Природа моделью «пяти чувств» не ограничилась. Эволюция создала существ, которые способны воспринимать более полную картину физической реальности, чем люди, используя в своем сенсорном арсенале даже столь фантастические виды чувств, как ориентация в пространстве по магнитному полю Земли. Это явление — ощущение магнитного поля — называется магниторецепцией. Но каким организмам и для решения каких задач могло понадобиться столь экзотическое по человеческим меркам чувство?

Магниточувствительные создания

«Такие животные, как птицы и бабочки, рутинно пересекали континенты задолго до того, как человек изобрел самолет. Как и пилоты, эти животные опираются на важный инструмент — компас, чтобы достигнуть пункта назначения ночью или в тумане», — рассказал «Популярной механике» специалист в области нейробиологии профессор Джонатан Пирс-Шимомура из Техасского университета в Остине.

Впервые ученые заметили, что птицы чувствительны к магнитному полю Земли, в конце XIX века. Позже произошли две мировые войны, в ходе которых для доставки важных сообщений активно использовали почтовых голубей. За время Второй мировой войны союзники доставили на европейский континент 16 000 почтовых птиц. Лишь 1% сообщений, отправленных с голубями, были зашифрованы — птицы настолько точно находили своих адресатов, что в дополнительных мерах осторожности не было необходимости.

Когда военная слава голубей дошла до научного сообщества, ученые задались вопросом — что же делает этих птиц столь искусными навигаторами?

Следующие десятилетия прошли в попытках подтвердить и объяснить этот феномен. Каких только способностей у голубей не нашли: возможность «слышать» сверхнизкие частоты, видеть ультрафиолет, ориентироваться по звездам и Солнцу. Однако даже такого впечатляющего списка было недостаточно, чтобы объяснить способность голубей и некоторых других птиц ориентироваться в пространстве и определять свое местонахождение по отношению к условному гнезду.

Только в середине 1960-х с гипотезы о магниточувствительности стряхнули пыль, а воззрениям тех времен был брошен вызов (тогда все считали, что птицы используют для ориентации в основном звезды и Солнце). Сначала немецкий ученый Ганс Фромм заметил, что птицы, даже находясь в изолированной комнате, где не видно Солнца и звезд, не теряли способности к ориентации. Фромм предположил, что дело в магнитном поле, однако дальнейшие опыты с помещением птиц в искусственные магнитные поля никаких значимых результатов не дали.

Бурый кожан из рода гладконосых летучих мышей ориентируется по магнитному полю Земли в полете. Способности к магниторецепции обнаружены и у других млекопитающих, в том числе у мышей, кротов и даже оленей.

Затем Вольфганг Вилтшко, также из Германии, решил провести собственный эксперимент с целью проверить, является ли причиной феномена чувствительность птиц к радиоизлучению. Вилтшко использовал ту же самую стальную комнату, что и Фромм: разработанное для имитации условий космоса устройство частично экранировало магнитное поле Земли. Он продержал птиц-зарянок в этой комнате значительно дольше, чем Фромм. Спустя три дня ученый к своему удивлению обнаружил, что птицы успешно научились ориентироваться по линиям слабого магнитного поля, в котором оказались. Это был первый эксперимент, который достоверно продемонстрировал магниторецепцию у животных.

Оказалось, что Фромм держал птиц в слишком сильных магнитных полях, недоступных их восприятию. Вилтшко же использовал слабые магнитные поля, и результаты удалось повторить. В статье 1966 года ученый суммировал: «Зарянки не ориентируются, если держать их в очень слабом магнитном поле. Однако если держать их в таком поле дольше трех дней, то они могут переориентироваться. И если затем изменить горизонтальный компонент этого слабого магнитного поля, поменяв магнитный север, то птицы учтут эти перемены».

Позже, в 1972 году, появился сам термин «магниторецепция». Новая исследовательская ниша привлекла множество ученых, и к 2015 году способность к магниторецепции смогли обнаружить у бактерий (так называемых магнитотактических), домашних кур, млекопитающих вроде европейской лесной мыши и замбийского землекопа, а также у некоторых видов летучих мышей, лис и оленей.

Несмотря на очевидный прогресс в изучении магниторецепции, ученые до сих пор не могут договориться об ответе на один ключевой вопрос: каков физиологический механизм «магнитного чувства»? Иными словами, какие именно части организма и каким образом за него отвечают?

В отличие от многих круглых червей (нематод), Caenorhabditis Elegans не паразитирует, а живет «на свободе». C. elegans — это первый многоклеточный организм, геном которого был полностью секвенирован. У этих нематод два пола: самцы и гермафродиты.

Навигатор в клюве

«Хотя уже ясно, что животные используют чувствительность к магнитному полю Земли для навигации в пространстве, механизм этой способности остается неясен. Используют ли они свои глаза или уши? Магнитное поле нашей планеты легко проходит сквозь тела животных, так что "сенсор" может оказаться даже глубоко внутри мозга», — рассказал профессор Пирс-Шимомура.

Две гипотезы, выработанные в результате многочисленных экспериментов, считают основными. Первая — наличие в некоторых частях организма магнетитов (Fe3O4), — оксидов железа, наиболее сильных магнитов среди всех когда-либо обнаруженных на Земле природных минералов. Предполагается, что при контакте с магнитным полем Земли этот минерал намагничивается, в процессе передавая понятный мозгу животного сигнал.

В конце XX века магнетиты были обнаружены в клювах некоторых птиц, включая голубей. Ученые предположили, что эти минералы и ответственны за работу «внутреннего компаса». Но исследования в начале XXI века многих заставили разочароваться в этой идее. В частности, в 2005 году появилась работа, в рамках которой было показано, что магнетиты в клювах голубей не реагируют на магнитное поле Земли. А в 2012 году группе ученых из Университетского колледжа Лондона удалось продемонстрировать, что те самые клетки с магнетитами, которые ранее обнаружили в клювах голубей, являются на самом деле макрофагами, неспособными к передаче электрического сигнала. Открытие автоматически лишило эти клетки ответственности за магниторецепцию, заметно навредив имиджу «магнетитной» гипотезы.

Вторая гипотеза, которая набрала популярность уже в 2000-е годы, основывается на исследованиях светочувствительного (к синей части спектра) белка криптохрома, расположенного в сетчатке глаза. Криптохром участвует в регуляции суточных, или циркадных, ритмов у животных и растений. Причем существует два типа этого белка: первый встречается исключительно у беспозвоночных и регулирует суточные ритмы светозависимым способом; криптохром второго типа характерен также для позвоночных и, скорее всего, регулирует суточные ритмы независимо от света.

Согласно результатам экспериментов, проведенных с целью выяснить роль криптохрома в механизме магниторецепции, оба типа белка, возможно, могут участвовать в формировании «магнитного чувства». Одно из наиболее известных и наглядных исследований в этой области было проведено в 2008 году группой из Массачусетского университета. Мушки дрозофилы были помещены в специальный освещенный лабиринт, где их приучили питаться вблизи источника электромагнитного поля. В ходе опыта мушки не смогли найти путь к своей кормушке после того, как ученые «выключили» их криптохром путем блокировки синего участка и ультрафиолета в спектре освещения лабиринта. При «включении» криптохрома насекомые вновь смогли с легкостью найти кормушку-магнит.

Эти результаты позволили ученым предположить, что криптохром все же играет определенную роль в формировании у животных «магнитного чувства». Физиологически за выполнение такой функции могут отвечать особые химические реакции, называемые реакциями пар радикалов: под воздействием света определенной длины волны две части одной молекулы (или просто близко расположенные молекулы) могут запустить каскадную реакцию, которая трансформируется в сигнал для содержащей эту молекулу клетки. Клетка, в свою очередь, оказывается способна передать этот сигнал мозгу. Именно такой механизм, возможно, лежит в основе участия криптохрома в процессе магниторецепции.

Антенна из нейронов

17 июня 2015 года на сайте журнала eLife была опубликована статья, которая вдохнула в область изучения магниторецепции новую жизнь. Впервые ученым удалось найти чувствительные к магнитному полю Земли нейроны и доказать, что они отвечают за работу «магнитного чувства» у животного — в данном случае у червя нематоды C.elegans.

Наш консультант профессор Пирс-Шимомура, один из авторов этого исследования, рассказал, как команде его научной лаборатории удалось совершить это открытие. Нематода C. elegans выбрана неслучайно: ранее при изучении червей этого вида у них были найдены молекулы, отвечающие за обоняние и осязание, которые, как выяснилось, используются и другими животными, в том числе человеком.

Сотрудники лаборатории заметили, что C. elegans при перемещениях почему-то стремится к магниту для холодильника. Чтобы выяснить, относится ли это как-то к магниторецепции, ученые решили проверить, как будут двигаться черви в условиях динамичных магнитных полей. Червей запустили в специальную трубку, вокруг которой искусственно генерировали магнитные поля. Когда трубу ориентировали в соответствии с магнитными полюсами (к примеру, север-юг, запад-восток), нематоды ползали по трубе хаотично. В условиях же вертикальной ориентации трубы черви стали постоянно ползти вниз.

«Ощущение низа черви получали от магнитного поля Земли, так как когда мы искусственно поменяли магнитное поле вокруг трубки, то нематоды стали ползти вверх», — пояснил профессор. Поведение нематод полностью согласуется с тем, как эти черви обычно мигрируют в Южном полушарии, где магнитное поле направлено вверх. Чтобы определить, каким образом C.elegans чувствуют магнитное поле Земли, ученые точечно разрушили набор сенсорных нейронов червя с помощью специальных мутаций. Повреждение одного набора таких сенсорных нейронов, названных AFD-нейронами, приводило к неспособности червей к магнитной ориентации и остановке вертикального перемещения.

Затем ученые обнаружили, что AFD-нейроны можно активировать магнитными полями. Соответствующая реакция нейрона была получена даже после разрушения его синаптических связей. Это доказало, что AFD-нейроны сами по себе магниточувствительны.

«AFD-нейроны на своих концах обладают впечатляющей структурой, напоминающей антенну, которая может функционировать подобно компасу наномасштабов и гнуться в соответствии с магнитным полем Земли», — пояснил профессор.

По мнению ученого, дальнейшие исследования молекул, обеспечивающих магниточувствительность C. elegans, могут привести к обнаружению аналогичных скрытых молекул в других животных, к примеру, птицах и бабочках. Таким образом, совершенное открытие не только углубило наше понимание феномена магниторецепции у животных, но и, возможно, приблизило нас к полному описанию физиологического механизма этой удивительной способности.