15.07.2022. - Как животные используют магнитное поле Земли для ориентации

Как животные используют магнитное поле Земли для ориентации

Многие животные используют магнитное поле Земли для ориентации. Но как именно они это делают, по большей части остается загадкой. В Ольденбургском университете исследователи из разных дисциплин работают вместе, чтобы решить загадку. Уникальное зрелище ждет каждого, кто посетит немецкий остров Гельголанд весной или осенью: в некоторые дни, особенно после плохой погоды, тысячи перелетных птиц, в том числе мелкие певчие птицы, такие как малиновки, северные каменки, теньковки и певчие дрозды, останавливаются на отдых. на этом скалистом архипелаге посреди Северного моря. Некоторые проводят лето в Скандинавии или России. Несколько северных каменок даже летают через Атлантику в Канаду в теплые месяцы, чтобы размножаться и выращивать своих детенышей.

Зимой птицы мигрируют в более теплые края Южной Европы или Африки. Профессор Хенрик Моуритсен, возглавляющий группу нейросенсорных исследований в Ольденбургском университете, указывает на особенно удивительный аспект этого явления: «Большинство певчих птиц мигрируют ночью. братья и сестры», — объясняет он. Северные каменки — милые маленькие певчие птицы весом всего 25 граммов — преодолевают расстояния до 15 000 километров в год. «Их навигационные системы невероятно точны. Опытные перелетные птицы могут вернуться в ту же самую нору, которую они использовали для размножения годом ранее, преодолев тысячи километров», — говорит биолог. Большой вопрос для Моуритсена заключается в том, как именно они это делают — с мозгом, который в большинстве случаев весит меньше грамма.

Моуритсен долгое время искал ответы, и его исследования внесли значительный вклад в разгадку тайны. С 2019 года усилия активизировались. Биолог работает с большой международной командой в Центре совместных исследований (CRC), который проводит углубленное исследование впечатляющих способностей позвоночных к ориентации. Основное внимание уделяется перелетным птицам, таким как европейские малиновки и черношапочные, и их удивительной способности использовать магнитное поле Земли для ориентации.

Исследователи из самых разных дисциплин, включая нейробиологию, квантовую физику, биохимию, компьютерное моделирование и поведенческую биологию, объединили усилия в CRC, чтобы выяснить, как работает эта до сих пор плохо изученная чувствительность к магнитному полю планеты. Под руководством Моуритсена команда изучает явление на всех уровнях: анализирует пути миграции, проводит поведенческие эксперименты и пытается определить, как сенсорные стимулы обрабатываются в мозгу птиц и через какие клетки туда попадают сигналы. Миссия исследователей привела их прямо на молекулярный уровень, где они изучают магнитные свойства определенных белков как в лаборатории, так и с использованием сложных компьютерных моделей.

Команда идет по горячим следам увлекательного механизма: в последние годы появились доказательства того, что магнитный датчик перелетных птиц находится в их глазах. Их магнитное чутье, по-видимому, основано на сложном квантовом физическом процессе, происходящем в определенных клетках сетчатки. Моуритсен признает, что на первый взгляд трудно представить, что такой процесс мог лечь в основу магнитного компаса у птиц. Действительно, долгое время считалось маловероятным, что чрезвычайно слабые эффекты квантовой физики могут влиять на биомолекулы. Однако недавно вместе с различными коллегами биолог представил несколько выводов, подтверждающих эту теорию.

Поиск настоящего магнитного сенсора уже дал горячую претендентку: криптохром 4, белок, обнаруженный в сетчатке перелетных птиц, таких как европейские малиновки, по-видимому, чувствителен к силовым линиям магнитного поля Земли, тем самым запуская каскад химические сигналы, которые передают раздражитель в мозг. «Криптохромы присутствуют в клетках многих животных и растений», — объясняет биохимик из Ольденбурга профессор Карл-Вильгельм Кох, возглавляющий подпроект CRC. Эти белки, которых существует шесть различных типов, могут быть светочувствительными и, помимо прочего, обеспечивать работу внутренних часов. У каждого вида животных есть свои, слегка модифицированные варианты этих белков.

Криптохром 4 обладает очень редким среди биомолекул свойством: «При встрече с синим светом образуются так называемые радикальные пары», — объясняет профессор Илья Соловьев, руководитель исследовательской группы квантовой биологии и вычислительной физики в Ольденбургском университете. Радикалы – это молекулы с неспаренным электроном. Синий свет запускает два таких радикала в криптохроме, чтобы сформировать одно когерентное квантово-механическое состояние. Это состояние длится всего несколько долей секунды, но в этот мимолетный момент белок чувствителен к относительно слабому влиянию магнитного поля Земли. Его направление определяет, в какой из двух возможных продуктов впоследствии преобразуется криптохром — по крайней мере, такова была теория, выдвинутая немецким физиком Клаусом Шультеном в 2000 году.

Совместно с коллегами из Оксфордского университета исследовательская группа из Ольденбурга под руководством Моуритсена недавно смогла продемонстрировать этот сложный процесс в белке криптохрома 4 глаз европейской малиновки. Исследователи представили свои выводы в статье на обложке июньского номера журнала Nature за 2021 год. Первоначальный прорыв произошел, когда Цзинцзин Сюй, докторант исследовательской группы Моуритсена, впервые преуспел в производстве большого количества криптохрома 4 в лаборатории с использованием культур бактериальных клеток. Затем партнеры из Оксфорда смогли продемонстрировать выраженную чувствительность белка к магнитным полям, используя сверхчувствительные методы, включая магнитно-резонансные измерения и инновационные методы оптической спектроскопии. «Авторы приблизили нас к разгадке этой тайны сенсорной биологии», — прокомментировал в Nature зоолог профессор Эрик Уоррант из Лундского университета Швеции.

Важным вкладом в этот успех стали также модельные расчеты физика Ильи Соловьева, который специализируется на использовании компьютеров как микроскопа для лучшего понимания молекул. «Мы рассчитываем положение и движение всех атомов в белке, используя фундаментальные уравнения природы, такие как уравнения движения Ньютона, законы термодинамики и квантовой физики», — объясняет он. Эти операции моделирования требуют огромных вычислительных ресурсов: чтобы смоделировать криптохром 4 в реалистичной клеточной среде, Соловьеву нужно рассчитать поведение около 100 000 атомов за крошечные промежутки времени. Всего за одну микросекунду — миллионную долю секунды — ему нужно две недели вычислительного времени на мощном суперкомпьютере.

Но усилия того стоят: с помощью своего «компьютерного микроскопа» Соловьев может открывать то, что остается скрытым, используя другие методы, например, как электроны перескакивают с аминокислоты на аминокислоту внутри криптохрома или как изменение условий окружающей среды влияет на этот процесс. «Прелесть компьютерного моделирования в том, что у нас есть полный контроль над системой», — говорит он. В случае криптохрома европейской малиновки Соловьев вместе с профессорами Питером Хором, Кристианой Тиммел и Стюартом Маккензи из Оксфорда смог определить, какие строительные блоки имеют решающее значение для магнитных свойств молекулы, и подтвердить это с помощью белки группы Моуритсена.

Соловьев в настоящее время моделирует криптохромы других организмов, таких как зебровые зяблики, куры, черноголовые шапки и рыбы, чтобы выявить различия в магнитных свойствах белков. Кроме того, физик стремится измерить продолжительность жизни радикальных пар в различных криптохромах — важнейшее свойство для их пригодности в качестве магнитных датчиков.

В то время как секреты этого уникального белка постепенно раскрываются, биохимик Карл-Вильгельм Кох исследует, как обеспечиваемый им стимул передается дальше внутрь клеток. «Восприятие магнитного поля должно быть переведено на язык нервной системы», — объясняет он. Кох и его команда решили найти белки, взаимодействующие с криптохромом. «Мы определили шесть потенциальных кандидатов в геномных библиотеках», — говорит он. Команда представила результаты своего генетического скрининга в журнале Scientific Reports в 2020 году.

Кох и его команда в настоящее время более подробно изучают два из этих белков. Один представляет собой зрительный пигмент, чувствительный к красному свету, а второй принадлежит к важному классу белков, передающих сигналы внутри клеток. «Мы уже нашли доказательства того, что эти два белка действительно образуют комплекс с криптохромом 4, и теперь мы проводим дальнейшие измерения с использованием специальных биосенсоров, чтобы лучше понять эти взаимодействия», — сообщает Кох.

Исследователи до сих пор ломают голову над значением этих открытий. Тот факт, что криптохром взаимодействует с молекулой фоторецептора, может означать, что магнитный стимул запускает тот же сигнальный каскад, что и зрительный стимул. С другой стороны, взаимодействие со вторым белком может указывать на то, что магнитный сенсор запускает свой собственный, пока неизвестный, сигнальный путь. «Это открытые вопросы, которые мы стремимся прояснить», — говорит Кох.

Веским признаком того, что эти два белка действительно играют роль в магнитном восприятии, является тот факт, что они присутствуют в тех же клетках, что и криптохром 4. Исследовательская группа не указывала это в качестве предварительного условия при поиске потенциальных партнеров для взаимодействия. Но оказалось, что все три белка вырабатываются в двойных колбочках — особом типе сенсорных клеток, расположенных в сетчатке. Таким образом, эти светочувствительные нервные клетки, по-видимому, являются местом магнитного восприятия.

«Двойные колбочки — это фоторецепторные клетки, обнаруженные у рыб, рептилий и птиц», — объясняет нейробиолог из Ольденбурга, профессор Карин Дедек, которая возглавляет подпроект, посвященный расшифровке нервных связей внутри сетчатки. Эти нервные клетки необычной формы состоят из более крупного основного члена и меньшего добавочного члена и составляют от 30 до 40 процентов фоторецепторных клеток в глазах птиц. Команда CRC считает вероятным, что молекулы криптохрома не плавают свободно в этих клетках, а каким-то образом связаны. В периферических областях фоторецепторов имеются сотни параллельных клеточных мембран. Ученые подозревают, что здесь белки закреплены и выстроены рядами, что повышает их чувствительность к направлению магнитного поля.

Дедек считает, что особая геометрия двойных колбочек делает их особенно подходящими для обнаружения магнитного поля: «Например, если молекулы криптохрома в двух субъединицах перпендикулярны друг другу, это может помочь в процессе различения визуальных и магнитных стимулов. " Чтобы понять, как сетчатка кодирует стимулы, Дедек и ее коллеги изучают двойные колбочки и их взаимосвязи с другими нейронами. «Мы хотим знать, какие типы клеток затем передают сигнал в мозг», — говорит она. Другая цель состоит в том, чтобы непосредственно измерить реакцию двойных колбочек на изменения магнитного поля и, таким образом, предоставить прямые доказательства того, что эти клетки обнаруживают магнитное поле.

Различные данные свидетельствуют о том, что область мозга, называемая кластером N, отвечает за обработку магнитных сигналов. Он расположен рядом с областью, которая обрабатывает зрительные стимулы в птичьем мозгу, и, как показали эксперименты Моуритсена в 2005 году, очень активен у ночных певчих птиц в условиях освещения, таких как звезды низкого уровня и лунный свет. В статье, опубликованной в журнале Nature в 2009 году, исследовательская группа Моуритсена смогла доказать, что Кластер N действительно обрабатывает стимулы магнитного компаса, продемонстрировав, что, когда эта область мозга не функционирует, птицы все еще могут использовать свои звездный и солнечный компасы, но не могут. дольше ориентироваться с помощью магнитных стимулов.

Как именно птицы воспринимают магнитное поле Земли, неясно. «Наиболее вероятным вариантом является то, что птицы воспринимают магнитное поле как зрительный образ», — говорит Моуритсен. В лабораторных исследованиях эксперименты неоднократно показывали, что геомагнитное поле помогает птицам ориентироваться, а возмущения могут привести к тому, что они потеряют ориентацию. Но что происходит, когда они находятся в дикой природе, это другой вопрос. В CRC этим конкретным вопросом занимается орнитолог доктор Хайко Шмальйоханн. «Мы смотрим, применимы ли результаты лабораторных экспериментов и к свободнолетающим птицам», — говорит он.

В последние годы Шмальйоханн, который проводит исследования в университете, а также в Институте исследований птиц в Вильгельмсхафене, проверял, нарушает ли электросмог ориентацию у европейских малиновок и северных каменок после их остановки на Гельголанде. Он начал эксперименты после того, как группа под руководством Моуритсена сообщила в журнале Nature, что электромагнитные помехи, создаваемые некоторыми электронными устройствами, нарушают ориентацию птиц в клетках — результат, который хорошо согласуется с теорией механизма радикальных пар. Для Шмальйохана эти результаты подняли вопрос о том, влияет ли электросмог на свободно летающих птиц в дикой природе, таких как дальние мигранты, популяция которых уже давно сокращается по причинам, которые остаются невыясненными.

Чтобы проверить это, Шмальйоханн и его команда установили различные радиоприемные станции на острове и вокруг Немецкой бухты, чтобы отслеживать направление отлета малиновок и северных каменок, когда они покидают Гельголанд. Затем исследователи прикрепили радиопередатчики весом 0,3 грамма примерно к 140 северным каменкам и 140 малиновкам и подвергали птиц воздействию слабого уровня электросмога или вообще не подвергали их воздействию в течение нескольких часов. «Затем мы отпустили их и использовали данные радиотелеметрии, чтобы увидеть, как они себя ведут — может ли электросмог продлить их остановку на Гельголанде, или они будут дезориентированы, когда начнут лететь и полетят в неправильном направлении», — говорит Шмальйоханн. Команда в настоящее время находится в процессе публикации результатов эксперимента, и исследователь раскрыл только это: «Похоже, что птицы используют разные источники информации, чтобы определить направление миграции из Гельголанда. Это могут быть звезды, но также магнитное поле или ориентиры».

За прошедшие годы было много указаний на то, что птицы не полагаются только на один источник информации в своем долгом путешествии. Помимо звезд и ориентиров, вполне вероятно, что перелетные птицы используют для ориентации как траекторию движения солнца, так и свое обоняние. И у них, вероятно, есть второй, еще более загадочный магнитный датчик в их клювах, который, возможно, состоит из крошечных кристаллов железа и позволяет им использовать магнитное поле как карту для навигации. Этот механизм исследуется в рамках других подпроектов Центра совместных исследований.

Вместе с компьютерными моделистами из Ольденбурга профессором Берндом Блазиусом и доктором Джеймсом Маклареном Шмальйоханн сейчас исследует, какой из различных компасов играет ключевую роль на разных этапах путешествия. «Мы собираем отдельные фрагменты информации из многочисленных исследований по всему миру, как мозаику, чтобы лучше понять глобальные миграции», — говорит Шмальйоханн. «В конце концов, если мы хотим защитить этих животных в их дальних путешествиях, важно знать, что заставляет некоторых перелетных птиц менять направление в середине пути и почему они по-разному реагируют на определенные раздражители в зависимости от их местоположения». «Птицы определенно сталкиваются с серьезными проблемами при перемещении на большие расстояния», — резюмирует Моуритсен. Их удивительные подвиги продолжают бросать множество интересных вызовов и команде CRC. Биолог уверен, что еще больше интересных открытий еще впереди: «Мы выполнили простую часть наших исследовательских задач. Теперь все станет еще интереснее».

Источник