Магнитным частицам во внутреннем ухе голубей отказали в роли магниторецепторов

Биофизики выяснили, что кутикулосомы (небольшие магнитные органеллы во внутреннем ухе птиц), вероятнее всего, не участвуют в механизме магнитной рецепции. С помощью квантовой магнитной микроскопии ученые показали, что магнитной восприимчивости этих частиц недостаточно для передачи сигнала по электромеханическим каналам. Это значит, что у кутикулосом иная физиологическая функция в организме птиц, а за восприимчивость к магнитному полю отвечают другие структуры во внутреннем ухе или на сетчатке глаз, пишут исследователи в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Многие животные, например, птицы при путешествии на большие расстояния, чувствуют магнитное поле Земли и используют его для ориентации в пространстве. Наличие магниторецепции у птиц подтверждают многочисленные наблюдения и поведенческие исследования, однако все проявления магниторецепции довольно слабые, поэтому как именно магнитные рецепторы работают — до сих пор остается непонятным.

Более того, ученые не только не до конца понимают механизм работы рецептора, но даже не знают точно, где он расположен. Основными кандидатами в магниторецепторы ученые считают криптохромы в сетчатке глаза (в них есть пары скоррелированных радикалов с неспаренным электроном), небольшие неорганические магнитные частицы во внутреннем ухе (они создают в магнитном поле крутящий момент) и электрорецепторы (они реагируют на изменение магнитного поля за счет электромагнитной индукции). Возможно, в некоторых случаях эти системы могут работать согласованно.

По предположению биологов, во внутреннем ухе за магниторецепцию должны отвечать кутикулосомы — небольшие сферические органеллы размером в несколько сотен нанометров, расположенные в волосковых клетках вестибулярного аппарата. Главным образом эти органеллы состоят из частиц магнитного ферригидрита — кристаллической формы оксида железа с включениями молекул воды.

Чтобы разобраться, могут ли кутиколосомы действительно быть частью магнитных рецепторов у голубей, биофизики под руководством Дэвида Симпсона (David A. Simpson) из Мельбурнского университета внимательно изучили их химический состав, структуру и магнитные свойства с помощью квантовой магнитной микроскопии. Исследователи взяли образцы тканей из двух участков внутреннего уха голубя и посмотрели, как кутикулосомы в них реагируют на внешнее магнитное поле величиной от 200 до 1400 гауссов. Для этого биофизики использовали магнитный сенсор на основе центров окраски в алмазе. Измерив разницу энергий основного и возбужденного квантовых состояний центра окраски, ученые рассчитали величину зеемановского расщепления для каждой точки анализируемого среза, и по этим данным построили карту магнитного поля рассеяния в кутиколосоме.

Оказалось, что в железосодержащих областях кутикулосом действительно есть магнитные участки. По данным измерений, это суперпарамагнитные и ферримагнитые включения ферригидрита. Полученные значения магнитной восприимчивости всех этих участков оказались внутри интервала между 0,029 и 0,22. Это на порядок меньше чем, например, у магнетита — оксида железа Fe₃O₄.

По расчетам ученых, максимальная механическая сила, которую может создать при вращении магнитный элемент с такой восприимчивостью, — всего 10⁻¹⁸ ньютона. Это примерно на пять порядков меньше, чем в любом рецепторе, который работает на механоэлектрическом принципе передачи сигнала. Таким образом, что кутиколосомы не могут достаточно сильно реагировать на магнитное поле Земли и, соответственно, не могут быть частью магниточувствительного рецептора.

Основная функция кутикулосом, по мнению ученых, — не магниторецепция, а хранение избыточного железа и стабилизация стереоцилий — механочувствительных органелл в вестибулярном аппарате. Авторы работы отмечают, что метод, разработанный ими специально для этого исследования, достаточно прост и позволит аналогичном образом исследовать другие магнитные структуры-кандидаты на роль магнитных рецепторов.

Участие криптохромовых рецепторов на сетчатке глаза птиц в механизме магнитной рецепцией многие ученые считают более вероятным. Например, в 2019 году химикам удалось показать, что молекулярные аналоги этих рецепторов, реагируют на достаточно слабые магнитные поля. Изменение направления вектора поля всего в 50 микротесла уже заметно влияет на отклик такого химического компаса. А до этого шведские биологи заметили, что магниточувствительность птиц связана с поляризацией света: если источник поляризованного света направлен перпендикулярно магнитному полю, птицы полностью теряют способность ориентироваться.

Александр Дубов