Голуби чувствуют магнитное поле Земли совершенно по-новому

Фото из открытых источников

В 1882 году зоолог Камиль Вигье предположил, что птицы и другие позвоночные ориентируются с помощью магнитного поля Земли, чего в то время не было известно ни одному животному. Он предположил, что это поле индуцирует слабые электрические токи в жидкости их внутреннего уха, указывая направление, подобно стрелке компаса. Работа Вигье канула в Лету, но, как оказалось, он был на верном пути.

За годы, прошедшие после смерти Вигье, исследователи обнаружили, что некоторые животные действительно способны улавливать магнитное поле Земли (этот процесс называется магниторецепцией) и использовать его для ориентации. Однако в объяснении этого загадочного чувства доминировали другие механизмы. Теперь группа учёных нашла подтверждение первоначальному предположению Вигье: в статье в журнале «Сайенс» группа сообщает, что голуби, возможно, способны ощущать магнитные поля посредством электрических токов во внутреннем ухе.

«Великий Святой Грааль сенсорной биологии — это понимание магнитного восприятия», — говорит Эрик Уоррант, нейробиолог из Лундского университета, не участвовавший в новом исследовании. По его словам, исследователи предоставили доказательства существования нового типа магниторецепции и раскрыли его нейронные пути в мозге. «Они действительно точно его описали».

В настоящее время доказано, что многие животные способны обнаруживать магнитные поля. Эта сенсорная способность помогает птицам и насекомым мигрировать, а черепахам запоминать расположение богатых кормовых угодий. Существует два широко обсуждаемых механизма. Один из них более изучен: светочувствительные белки, называемые криптохромами, внутри сетчатки обладают так называемыми квантовыми спиновыми состояниями, которые реагируют на магнитные поля, выявляя их направление и давая животным визуальное представление о том, где север, а где юг.

Другой механизм изучен менее подробно. Крошечные кристаллы, богатые железом, состоящие из минерала магнетита, вращаются в магнитных полях таким образом, что могут стимулировать клеточные рецепторы, передавая нервам сигнал, который можно интерпретировать для определения направления линий магнитного поля. Некоторые учёные утверждают, что эти кристаллы находятся вблизи нервов в носах форели и клювах птиц, но их существование остаётся спорным.

Внутреннее ухо также рассматривалось как место, где магнетит может помогать в навигации, поэтому некоторые исследователи исследовали этот орган чувств, чтобы найти доказательства того, как там может работать магниторецепция. В 2012 году Дэвид Дикман и Ле-Цин У из Медицинского колледжа Бейлора обнаружили сигналы от нейронов мозга голубя, исходящие из внутреннего уха и, по-видимому, кодирующие информацию о магнитных полях. Они предположили, что магнитные сенсоры представляют собой так называемые волосковые клетки — клетки с щетинкообразными ресничками на поверхности — в лагене, части внутреннего уха, которая помогает ощущать движение.

Заинтригованный этой работой, нейробиолог Дэвид Кейс из Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана вскоре приступил к поискам магнетита в лагене и в 2019 году остался ни с чем. Затем, после того как Грегори Нордманн, аспирант в его лаборатории, нашел статью Вигье 1882 года, Кейс и его коллеги решили исследовать полукружные каналы — часть внутреннего уха, которая обеспечивает чувство равновесия и ориентацию — у голубей. Они знали, что акулы и скаты могут обнаруживать слабые электрические поля благодаря клеткам, стенки которых имеют определенные потенциал-чувствительные ионные каналы. Они рассуждали, что если во внутреннем ухе голубя есть клетки с такими каналами, то полукружные каналы могут действовать как электрическая цепь, как предполагал Вигье. Другими словами, птицы могут преобразовывать магнитную информацию посредством индукции во внутренней жидкости каналов в электрические импульсы, которые посылают сигналы в мозг.

Чтобы выяснить, какая часть мозга реагирует на магнитные поля, Кейс и его коллеги поместили 13 голубей по одному в аппарат, который устранял весь фоновый магнетизм, а затем создавал изменяющиеся магнитные поля. Затем они умертвили птиц и ввели им в мозг антитело, реагирующее с нейронами, в которых недавно проявилась генная активность, что потенциально указывает на реакцию на восприятие полей. После химической обработки мозга, сделав его прозрачным, микроскоп показал клетки, отреагировавшие на магнитное поле. Чтобы исключить светозависимый механизм, команда повторила эксперимент в темноте с другими 14 птицами.

Как и в предыдущих исследованиях, учёные обнаружили, что вестибулярные ядра — область ствола мозга, получающая информацию от внутреннего уха — активируются у голубей магнитными полями. Сигналы передавались в мезопаллиум — часть мозга, интегрирующую сенсорную информацию, а также в гиппокамп — ключевой участок, отвечающий за пространственную ориентацию и навигацию. По словам Уорранта, эта работа — «техническое чудо».

Затем они препарировали трёх птиц, чтобы изучить волосковые клетки в полукружных каналах. С помощью метода, называемого секвенированием отдельных клеток, они пришли к выводу, что один тип волосковых клеток имеет гораздо больше потенциал-чувствительных ионных каналов, чем другой основной тип волосковых клеток. Различие между этими двумя типами может помочь мозгу различать сигналы движения и электрические токи.

Кеннет Ломанн, нейробиолог из Университета Северной Каролины в Чапел-Хилл, изучавший магниторецепцию у черепах, говорит, что новая работа вдохновила его на изучение их полукружных каналов. «Это открывает много интересных тем для размышлений и исследований у разных животных». Ломанн считает, что животные без полукружных каналов, возможно, могли бы использовать электромагнитную индукцию, если бы у них в процессе эволюции сформировались полости, заполненные жидкостью и выстланные волосковыми клетками.

Уорранту интересно, какие свойства магнитного поля Земли могут восприниматься полукружными каналами. Например, некоторые животные могут использовать наклон поля для определения юга и севера, что помогает им ориентироваться. «Всё это невероятно интересно для сенсорного физиолога», — говорит он.

На следующем этапе Кейс и его коллеги надеются выяснить, как мозг голубя преобразует сигналы о магнитных полях в полезную информацию для ориентации.