Недавно в Nature вышла статья, из которой следует, что мы, по-видимому, до сих пор не понимаем, как животные чувствуют магнитное поле. Широко известно, что этой способностью обладают многие из них, и особенно птицы. Оказывается, среди ученых существуют совершенно разные мнения о механизмах магниторецепции, и недавняя статья нанесла по одному из лагерей сокрушительный удар.
Известно, что некоторые животные могут чувствовать направление магнитного поля Земли. То, что акулы, черепахи, рыбы, почтовые голуби обладают внутренним компасом, который помогает им при ориентации в пространстве, вряд ли кому-то покажется сенсацией. Из-за огромного количества популярной литературы и фильмов на эту тему складывается ощущение, что в этой области все более-менее известно, а то немногое, что пока не вполне ясно, скоро сдастся под напором экспериментаторов.
Оказывается, это совсем не так. Даже наоборот - огромное количество экспериментальных фактов почему-то никак не может привести исследователей к ответу на вопрос: как животные чувствуют направление магнитного поля Земли?
Все началось с неприметных маленьких птичек-зарянок. Где-то в пятидесятые годы двадцатого века ученые заметили, что живущие в клетках зарянки по осени, повинуясь инстинкту, стремились улететь на юг. Самое удивительное было то, что в закрытом помещении они без каких-либо явных ориентиров действительно пытались выбраться из клетки именно с южной стороны. Вольфганг Вильчко (Wolfgang
Wiltschko), в то время студент института Гёте, решил проверить, не стремятся ли птицы на юг с помощью некоего внутреннего компаса. Он обмотал вокруг клетки провода и пустил по ним ток в нужном направлении. Вильчко удалось обмануть зарянок - птицы стали пытаться вылететь из клетки в другом направлении.
Это наблюдение, несмотря на простоту эксперимента, почти никого не убедило - может быть, потому, что было слишком непонятно, как к этому явлению подступиться с экспериментальной точки зрения. С другой стороны, может быть, дело в том, что внимание большинства биологов в то время было приковано к другим вещам - недавно открытой структуре ДНК, транскрипции, генетическому коду.
Тем не менее, со временем данных, подтверждающих чувствительность некоторых животных к магнитному полю, накопилось очень много. Чувствительными оказались представители чуть ли не всех видов жизни - бактерии, мухи-дрозофилы, акулы, скаты, форель, черепахи, мигрирующие птицы и, прежде всего, голуби, дрозды, зарянки. Животные, видимо, пользуются своим внутренним компасом не так, как люди, - помимо направления на север, они чувствуют еще и наклон и интенсивность магнитного поля, которые позволяют им ориентироваться гораздо лучше человека с компасом.
Здесь необходимо небольшое пояснение про то, что такое наклон поля. Известно, что Земля представляет собой огромный магнит. Те, кто пользовался компасом, привыкли, что он все время показывает на север - что на экваторе, что за полярным кругом (если мы говорим про магнитный, а не истинный север), однако магнитные линии имеют еще и наклон. Если бы мы рассыпали вокруг планеты железную пыль, то смогли бы увидеть, как линии поля выходят из области южного полюса, проходят параллельно поверхности в районе экватора и входят в северный полюс (направленность с юга на север в данном случае просто условность). На магнитных полюсах линии поля входят в землю строго перпендикулярно поверхности, у экватора они параллельны, а в промежуточных широтах угол наклона меняется. Зная наклон магнитного поля относительно горизонта в данной точке, можно, теоретически, рассчитать свое местоположение. Видимо такой способ геолокации освоили в совершенстве черепахи.
Новорожденные черепахи, которые кормятся в определенном излюбленном месте на побережье Флориды, оказались способны его отыскивать, если их отвезти севернее или южнее этого места. То, что они руководствуются при этом наклонением магнитного поля, ученые установили, создав искусственное поле в бассейне с новорожденными черепашками. При большем наклоне черепашки стремились на "южную" сторону бассейна, при меньшем - на "северную".
Подобные эксперименты проводили и с акулами. В специально оборудованном бассейне их тренировали находить корм в зависимости от направления магнитного поля, и акулы легко справлялись с задачей. Еще интереснее был придуман эксперимент со скатами - их тоже тренировали находить пищу в бассейне, руководствуясь искусственным магнитным полем. Однако на этот раз ученые решили исключить побочный эффект эксперимента. Дело в том, что включение магнитного поля вызывает индукцию поля электрического, и ответ рыб можно было бы объяснить реакцией именно на его возникновение. Чтобы исключить этот эффект, скатам прикрепляли к телу маленькие магниты или такие же по размеру и форме немагнитные (бронзовые) капсулы. Магнитный груз полностью сбивал скатов с толку, а бронзовые капсулы никак на сообразительность рыб не влияли.
Отыскать орган, чувствующий магнитное поле у животных, оказалось очень непростой задачей. Возможно, дело в том, что им может оказаться, например, одна-единственная микроскопическая клетка в любом месте организма, ведь магнитное поле свободно проходит сквозь тело, и органам, чувствительным к нему, вовсе не обязательно находиться на поверхности. И огромное количество этологических (анализирующих поведение) опытов, к сожалению, ничего не сказали исследователям о том, где его следует искать.
Разочарованные поисками, некоторые ученые решили, что попытки отыскать чувствительный орган безрезультатны потому, что он уже давно найден. Им, по их мнению, на самом деле является сетчатка глаза. Действительно, у первых экспериментов Вильчко с зарянками была странная особенность. Птицы прекрасно находили магнитный юг в изолированном помещении и при искусственном свете, но никак не в полной темноте. В дальнейших экспериментах оказалось, что и не всякий свет подходит. Красный, например, был совершенно аналогичен темноте - животные переставали ориентироваться. Голубой свет, наоборот, очень хорошо компенсировал отсутствие солнечного.
Этим данным было очень сложно придумать какое-либо разумное объяснение, пока в конце девяностых годов биологи, занимавшиеся чувствительностью растений к голубому свету, не открыли белки криптохромы. Эти небольшие, чувствительные к голубому свету полипептиды неожиданно нашлись у почти всех животных - вплоть до человека. Оказалось, что они участвуют в регуляции суточных ритмов жизни и при этом располагаются в сетчатке.
Связь криптохромов с магнитным полем удалось установить благодаря эксперименту на дрозофилах. Оказалось, что мух, так же как и птиц, можно научить находить сладкую воду, ориентируясь по магнитному полю. Те же мухи, которые несли мутацию и не могли синтезировать криптохромы, оказались совершенно необучаемы. Самое интересное состояло в том, что когда таким мутантным мухами ввели человеческий ген, похожий по последовательности на криптохром, трансгенные потомки вновь стали отыскивать сладкую воду. Некоторым ученым этот результат дал основание предполагать, что и человек может обладать какой-то неосознанной чувствительностью к магнитному полю.
Как же может крохотная молекула белка, которая подвержена сильнейшим постоянным тепловым флуктуациям, "чувствовать" направление магнитного поля? Оказалось, что для физиков предложить теоретическую модель чувствительности не так уж сложно. Светочувствительный белок может приобрести чувствительность к магнитному полю при переходе в возбужденное состояние. Есть только одна загвоздка - ни один из ученых, даже самых пламенных сторонников "криптохромовой" теории магниторецепции, не предложил ни одного механизма, с помощью которого чувствительность белка превращалась бы в возбуждение нейронов.
Отсутствие какого-либо механизма передачи сигнала от криптохрома сделало всю теорию весьма сомнительной для многих ученых. Исследователи бросили силы на то, чтобы найти у животных что-нибудь не столь экзотическое.
В восьмидесятые годы были открыты бактерии, содержащие в клетке маленькие (около 50 нанометров) кристаллы оксида железа - магнетита. Бактерии, правда, использовали их не совсем по назначению - не для того, чтобы путешествовать на север или юг, а чтобы находить дно по направлению наклона силовых линий поля. Где дно, там больше питательных веществ, и, ведомые своими магнитными кристаллами, бактерии направлялись вниз.
Этот случай магнетотаксиса у бактерий - наверное, единственный, по поводу которого у всех ученых есть четкое понимание механизма чувствительности. Между тем попытки найти что-то подобное у животных, - особенно у самых интересных из них с точки зрения точности ориентации, у почтовых голубей, - до начала двухтысячных не приводили к успеху.
К этому моменту было накоплено уже очень много данных по поведению, но все они, из-за отсутствия подходящего кандидата в магниточувствительные органы, "висели в воздухе". Поэтому, когда в 2004 группа ученых обнаружила шесть специальных точек в клюве у почтовых голубей, где содержались кристаллы магнетита, которые были в точности похожи на те, что найдены у бактерий, научное сообщество приняло эту работу как долгожданную находку.
Биофизики принялись рассчитывать магнитные параметры кристаллов на предмет их потенциальной чувствительности. Физики утверждали, что, хотя кристаллы и слишком малы для хорошей чувствительности, на самом деле они должны обладать особыми "суперпарамагнитными" свойствами. Биологи не отставали - для исследования миграций птиц они обрезали нервные волокна, иннервирующие верхнюю часть клюва, и делали выводы на основе сравнения путешествий голубей с поддержкой и без поддержки магнитной биолокации. Теоретики предлагали принципиальные схемы устройства рецепторов, которые должны были управляться внутриклеточными магнитами на кристаллах магнетита. Хотя сторонники криптохромов и опубликовали с 2004 года множество экспериментальных статей, в целом (особенно для более консервативных ученых) теория чувствительности на основе кристаллов магнетита выглядела до настоящего времени более убедительно.
Все рассыпалось из-за одной статьи. Группа европейских ученых из Австрии, Франции, Великобритании и Австралии обратила внимание на то, что хотя наличие кристаллов в клюве голубя было показано надежно, никто прежде не проверял сами клетки, где эти кристаллы находились.
Ученые вооружились компьютерной томографией и составили чрезвычайно подробную трехмерную карту голубиного клюва. Затем они сделали микроскопические срезы клювов разных голубей в точках, где содержались кристаллы, и обнаружили, что эти клетки никакого отношения к нейронам не имеют. Это были макрофаги - клетки-мусорщики, собирающие различные бактерии и мелкие частицы, которые попадают в ткани. Неудивительно, что макрофаги обнаружились именно в клюве - поблизости от воздушных потоков и источников пыли.
Помимо микроскопического анализа, ученые проверили тип клеток с помощью анализа поверхностных белков. Разные клетки содержат на внешней поверхности разные белки, на основе состава которых их можно надежно классифицировать. Проведенный анализ не оставил сторонникам магнеторецепторов клюва никаких надежд - магнетит содержался только в макрофагах.
Получается, голуби оставили ученых, которые их изучали, с носом. Никаких разумных нейробиологических механизмов магнеторецепции на основе криптохромов пока не предложено, а от самой развитой альтернативной теории последнее исследование не оставило камня на камне. "Животный магнетизм" оказался гораздо загадочнее, чем, наверное, могли предполагать первые исследователи вроде Вильчко, ставившие опыты на зарянках в шестидесятых годах.
С другой стороны, методологический арсенал биологов с того времени удивительно расширился. Возможно, "закрытие" европейских ученых только подстегнет интенсивность новых исследований. Уж очень велик потенциальный приз. Как говорил Торстен Ритц, один из исследователей криптохромов: "Не всем выпадает шанс открыть новый орган чувств".