Магнетизм: бактериальный и животный

Примерно 3,5 миллиарда лет назад, в палеоархее, у Земли закончилось формирование внутреннего ядра и появилось достаточно сильное магнитное поле.  Это магнитное поле смогло защитить развивающуюся на Земле жизнь от жесткого излучения из космоса. Жизнь в тот момент была представлена прокариотами, так что все более сложные и современные формы жизни развивались уже в условиях существования у Земли магнитного поля, и могли придумывать, как извлечь из него пользу для себя.

Почтовый голубь
© Pixabay

Магнитное поле Земли порождается жидкой фазой земного ядра. Ядро, состоящее из сплавов железа, начинается примерно на полпути от поверхности земного шара к его центру.  В самом центре находится твердая часть ядра при температуре 6000 кельвинов, а между ней и мантией – жидкая часть ядра. Температура на границе жидкой части и мантии уже ниже, «всего» 3800 кельвинов. Движения электропроводящей жидкости, которой и является наружная часть ядра, порождают магнитное поле Земли. Движения в ней складываются из двух составляющих. Во-первых, это конвекция жидкости, происходящая из-за разности температур на границе с твердой частью ядра и на границе с мантией. Жидкость нагревается на границе с твердой фазой ядра, поднимается вверх, к мантии, там остывает и опускается вниз. Вторая составляющая движения в жидкой фазе ядра – сила Кориолиса, возникающая из-за вращения Земли вокруг своей оси.

Магнитное поле Земли
© NASA

В своем движении проводящая жидкость, из которой состоит земное ядро, формирует петли. Теорема о циркуляции магнитного поля (четвертое уравнение Максвелла) показывает, что такие петли электрического тока порождают магнитное поле. Изменения этого магнитного поля по закону индукции Фарадея (третье уравнение Максвелла) порождают электрическое поле. Эти электрическое и магнитное поля совместно действуют на частицы (электрическое – на любые, магнитное – только на движущиеся) силой Лоренца, ускоряя по второму закону Ньютона их движение, и возникает петля положительной обратной связи. Все эти взаимоотношения можно описать с помощью дифференциального уравнения в частных производных, но мы тут, пожалуй, остановимся, пока не распугали всех читателей (заинтересовавшиеся могут пройти по ссылке).

Магнитное поле Земли не является постоянным. Меняется его величина (сейчас убывает) и даже полюса могут меняться местами. Но, так или иначе, оно существует уже 3,5 миллиарда лет, защищая озоновый слой от разрушения солнечным ветром (и, соответственно, жизнь на земле от ультрафиолета) и помогая чуть ли не всем живым существам кроме людей ориентироваться в пространстве. Магниторецепция помогает ориентироваться не только при путешествиях на большие расстояния, но и на небольших участках местности благодаря магнитным аномалиям.

На сегодняшний день существует три предполагаемых механизма – некоторые из них более гипотетические, а некоторые вполне достоверные – магнеторецепции в живой природе.

Наименее дискуссионный механизм магнеторецепции у так называемых магнитотактических бактерий. Такие бактерии располагаются и мигрируют вдоль линий магнитного поля земли. Кроме того, они могут двигаться перпендикулярно линиям магнитного поля, особенно в водоемах, погружаясь глубже или всплывая к поверхности. Примечательно, что бактерии, живущие в северном и южном полушарии, где линии магнитного поля направлены в противоположные стороны, имеют противоположные магнитотактические свойства.

Магнитное поле бактерии чувствуют маленьким внутренним компасом. Они собирают частички солей или оксидов железа и окружают их содержащей белки фосфолипидной мембраной. Такие органеллы – магнитосомы – выстраиваются в ряд, и бактерия ведет себя как обычный магнитный диполь.

Группа магнитотактических бактерий долгое время признавалась полифилетической, то есть считалось, что ее члены не имеют общего предка, и способность чувствовать магнитное поле возникала среди них несколько раз независимо. Действительно, свойством чувствовать магнитное поле обладают представители разных ветвей домена бактерий. Однако в работе 2015 года эта точка зрения была оспорена на основании сравнения структуры гена mamA, кодирующего белок из мембраны магнитосом.

Примечательна эволюционная история белка MamO, которых в бактериях Magnetospirillum magneticum участвует в биоминерализации оксида железа Fe₃O₄ для построения магнитосом. Изучая последовательность гена, ученые пришли к выводу, что он должен кодировать трипсин-подобную протеазу – белок, разрезающий другие белки. Однако в ходе эволюции белок сменил свою функцию на биоминерализацию железа. Примечательно, что во всех трех основных подгруппах магнитотактических бактерий есть бывшая трипсин-подобная протеаза, задействованная в организации магниторецепции.  Это может указывать как на существование общего предка всех магнитотактических бактерий, так и на то, что трипсин-подобную протеазу легко приспособить для нужд магниторецепции.

Бактерии M. gryphiswaldense оказались способны интегрировать информацию, получаемую от магниторецепции, с информацией от хемокинов и информацией об уровне кислорода и на основании этого выбирать: двигаться по линиям магнитного поля или в противоположную сторону.

Самые хорошо изученные круглые черви – C. elegans ведут себя подобно бактериям. Они двигаются перпендикулярно линиям магнитного поля, зарываюсь глубже в землю, когда голодны, и двигаясь к поверхности, когда еды много. При этом черви, живущие в северном и южном полушарии, реагируют противоположным образом на одно и то же направление магнитного поля. У C. elegans всего 302 нейрона, связи между которыми полностью описаны. Поэтому, вероятно, они стали первым видом, для которого ученые в 2015 году смогли точно указать два конкретных нейрона, ответственных за восприятие магнитного поля.

В отличие от бактерий, с которыми все понятно, механизм магниторецепции у животных остается неясен. Предлагаются две основных гипотезы, и каждая из них, по всей видимости, верна для отдельных видов, а для некоторых видов верны, возможно, обе сразу.

Одна из этих гипотез говорит о том, что животные используют такие же биоминерализованные соединения железа, что и бактерии. Так, например, минерал магнетит обнаруживается в клюве некоторых птиц, например, почтовых голубей, способность которых к магниторецепции доказана в ряде экспериментов.  Показано, что если, например, привязать к клюву голубя магнит, нарушающий работу их собственного, они теряют способность к магниторецепции. Также способность теряется при перерезании тройничного нерва (а не обонятельного!).  Хотя эти факты и свидетельствуют в пользу роли магнетита в клюве в магниторцепции, экспериментально не было показано, что магнетит в клюве может реагировать на такое слабое магнитное поле как земное. Поэтому гипотеза до сих пор остается гипотезой.

Схожее поведение наблюдается у домашних кур, у которых в дендритах некоторых нейронов в клюве содержатся частички металлов. Повсеместно распространенная довольно варварская практика отсечения клювов цыплятам на птицефабриках (чтобы птиц можно было держать в небольших клетках по несколько, и их конфликты были менее травматичными), заметно затрудняет ориентацию животных в пространстве.

Другая гипотеза касается работы белка криптохрома. Криптохром – белок, чувствительный к синему свету. Он находится на поверхности обычных светочувствительных клеток в глазу. Он управляет суточными ритмами животных и растений, и было выдвинуто предположение, что могут принимать участие в магниторецепции у животных, в первую очередь, у птиц и дрозофил.

Эксперименты на дрозофилах показали, что мутация в гене Cry 1 приводит к потере способности к магниторецепции. Магниторецепция также пропадает, если специальным фильтром отрезать свет с длиной волны меньше 420 нм, на который реагирует криптохром.

Предполагаемый механизм работы криптохрома основан на эффекте Зеемана. При активации криптохрома синим светом, образуется пара радикалов с взаимодействующими электронами с параллельными или антипараллельными спинами. Эта электронная пара находится под действием внешнего магнитного поля Земли и, в зависимости от его направления, происходит или не происходит расщепление энергетического уровня электронов. Это событие может влиять на то, как долго криптохром находится в активированном состоянии. Таким образом, возможно, птицы во время миграции просто «видят» магнитное поле за счет того, что криптохром активируется  синим светом  и магнитным полем гораздо сильнее, чем просто синим светом. На справедливость той теории косвенно указывает то, что большинство перелетных птиц летит днем, а не ночью. Есть, правда, птицы, летящие ночью, но это может объясняться способностью криптохрома активироваться химическими реакциями, а не светом. В этой теории, правда, много умозрительного и доказанного экспериментами только частично.

Не у всех видов, обладающих магниторецепцией, ее роль ограничивается ориентацией в пространстве. Например, если на время эмбрионального развития личинку мигрирующей белоспинной цикады изолировать от магнитного поля, у насекомого возникнут серьезные аномалии развития.

Кроме уже перечисленных видов способность к магниторецепции в некоторых экспериментах обнаруживают  муравьи, пчелы, термиты, черепахи, некоторые акулы и хрящевые рыбы (у рыб свой особый механизм, они чувствуют напряженность электрического поля), летучие мыши, обычные мыши, некоторые живущие под землей грызуны, олени. У человека таких способностей не найдено, хотя у людей и есть свой криптохром. Он, по всей видимости, участвует в формировании суточных ритмов.

Источник: Александра Брутер polit.ru