О магнитном упорядочении псов

С.М. Комаров

Исследование ориентации тел собак относительно геомагнитного поля во время испражнения Игнобелевский комитет удостоил премии по биологии в 2014 году. Получил ее большой творческий коллектив — двенадцать чешских зоологов и физиков во главе с Хайнеком Бурдой, работающим в пражском Чешском университете наук о жизни и университете Дуйсбурга-Эссена («Frontiers in Zoology» - полный текст). Ранее этот же коллектив изучал магнитное упорядочение коров, стоящих и лежащих на пастбище, оленей в лесу и охотящихся лис.

pic_2018_05_36.jpg

Казалось бы, изучить упорядочение испражняющихся собак несложно. Собери добровольцев, вручи каждому компас, и пусть они во время прогулок с питомцами фиксируют ориентацию тела собаки относительно стрелки компаса в момент освобождения от продуктов жизнедеятельности. Остается набрать статистику и убедиться, что собаки не хуже лис или коров ощущают магнитное поле. Прелесть методики в том, что какое-либо неосознанное влияние человека на выбор ориентации невозможно — она определена процессами, протекающими в собаке.

Но не тут-то было. Проведя по полторы тысячи измерений ориентации во время дефекации и мочеиспускания для собак обоих полов (в работе принимали участие 42 суки и 28 кобелей), авторы работы оказались у разбитого корыта. Никаких явных следов магнитного упорядочения собак замечено не было: точки вполне равномерно распределились по окружности.

Однако истинный ученый тем и отличается от профана, что никогда не останавливается перед трудностями. Отсутствие яркого эффекта в данном, да и во многих других случаях совсем не показалось удивительным. В конце концов, ведь очевидно, что все яркие эффекты естествоиспытатели обнаружили в XIX, самое позднее в первой половине XX века. Тем же, кто стоит на плечах гигантов прошлого, осталось искать эффекты, невидимые невооруженным глазом. Впрочем, от этого ничуть не менее значимые.

Как выделить что-то внятное из безнадежноравномерного распределения ориентаций? Правильно, нужно сделать выборку. Выборка по половой принадлежности собак ничего не дала — и кобели, и суки располагались одинаково хаотично. Может быть, солнце путает все планы и заставляет собаку сидеть так, чтобы оно не слепило ей глаза? Обстоятельство немаловажное, ведь, как отмечали классики, живое существо во время испражнения весьма беззащитно, и ему приходится быть начеку, а если солнце заставляет жмуриться — можно прозевать опасность. Эту гипотезу сочли несостоятельной по двум причинам. Во-первых, зрение у собак так себе, эти животные больше полагаются на тонкий слух и прекрасное обоняние. А во-вторых, солнечный день в Чехии и Германии выпадает хорошо если через два дня на третий. Стало быть, солнце могло спутать магнитные планы собак от силы в трети случаев. Да и выборка по пасмурным дням не дала интересного результата — распределение оставалось все таким же уныло-однородным.

А что если посмотреть на магнитную погоду? Ведь геомагнитное поле складывается из двух составляющих: статической, определяемой собственным полем Земли и магнитными аномалиями, которые вызваны неравномерным распределением ферромагнетиков в земной коре, — и динамической, определяемой колебаниями ионосферы под действием солнечного ветра. Есть и еще один возмущающий фактор: межпланетное магнитное поле, создаваемое Солнцем. Все эти факторы учитываются при измерениях геомагнитного поля Земли, постоянно ведущихся в магнитных обсерваториях. Из-за динамической составляющей вектор напряженности суммарного поля постоянно меняет направление относительно того, что задано статической составляющей. И вот тут ученым улыбнулась удача: в те дни, когда поле было не возмущенным (отклонение его вектора было менее 0,1° относительно статической составляющей), — вот в эти дни собаки во время испражнения стремились ориентировать свое тело вдоль силовой линии, соединяющей северный и южный магнитные полюса Земли.

pic_2018_05_37.jpg

Если смотреть на дефекацию собак ежедневно, никакого магнитного упорядочения заметить не удается. Иное дело — правильная выборка в дни спокойного магнитного поля (Frontiers in Zoology», 2013, 10, 80).

Нельзя сказать, что ориентация была строгой, статистический разброс составил примерно 50°, но это было гораздо лучше, чем в дни с сильными возмущениями. Даже невооруженным глазом заметно (см. рис.), что в эти дни собаки уж точно не ориентировали свое тело поперек магнитного поля. Когда же провели усреднение по одной и той же собаке — для тех, у которых было не менее пяти измерений, — разброс вообще упал до 29°. Справедливости ради стоит отметить, что, когда отклонение поля оказывалось в пределах 2°, на диаграмме появился некий слабый пик данных с ориентацией перпендикулярно геомагнитному полю, но статистическая значимость этого эффекта оказалась слишком малой, чтобы всерьез его обсуждать.

Однако какого же результата добились игнобелевские лауреаты, потратившие немало времени на свою работу? Неужели столь уж важно, как ориентируют свое тело собаки во время очистительной процедуры? Выводов можно сделать два. Самый главный: при проведении работ по изучению влияния магнитного поля на живых существ нельзя не учитывать магнитную погоду. Вот цитата из статьи: «В частности, важен тот факт, что даже малые флуктуации магнитного поля Земли могут изменять поведение и что нормальные магнитные условия, при которых собаки демонстрируют свое особое поведение, присутствовали всего в 30% случаев. Если экстраполировать это на других животных и на другие опыты по магниторецепции, то появляется объяснение плохой воспроизводимости результатов одних опытов и большого разброса данных других. Ученые, исследующие поведение животных, должны пересмотреть свои эксперименты и наблюдения с учетом этих фактов, а также учитывать их при планировании будущих работ». Ну а второй — да, собаки чувствуют магнитное поле Земли, и с помощью достаточно простой методики можно тщательно изучать этот феномен. Тем более что собаки — вполне традиционные лабораторные животные, с ними легко и просто работать. Не то что с волками, лисами, черепахами, ящерицами, омарами, ласточками, крачками, малиновками, тритонами, пчелами, шмелями, муравьями, бабочками и прочими видами, у которых обнаружена склонность к взаимодействию с магнитным полем Земли.

А как они это делают? Как чувствуют ничтожное магнитное поле? Это предмет длительной научной дискуссии, итоги которой до сих пор не подведены. Существование магниторецепции — восприятия магнитного поля, — по крайней мере, у некоторых видов животных, не вызывает сомнений, при этом поиски механизма порой кажутся столь бесперспективными, что авторы одного из свежих обзоров проблемы назвали его «Чувство без органа чувств» («PLoS Biology» - полный текст).

Сама по себе идея магниторецепции появилась давно. В 1855 году русский зоолог Александр фон Миддендорф писал: «…подобно тому, как на корабле есть магнитная стрелка, эти моряки, бороздящие воздушный океан, имеют внутреннее магнитное чувство, которое может быть связано с гальванически-магнитными токами». Спустя сто лет, когда техника эксперимента существенно продвинулась вперед, зоологи Фридрих Меркель и Вольфганг Вильчко из Франкфуртского университета («Vogelwarte», 1965, 23, 1, 71—77 - полный текст в PDF), поставив опыт с малиновками, доказали, что те ориентируются в полете по направлению магнитного поля.

После решения принципиального вопроса — да, явление существует — оставалось найти сам магниточувствительный орган или хотя бы магниторецептор, и проблема оказалась бы решена. Исследователям отчасти посчастливилось — они нашли намеки на целых два механизма, однако, удивительным образом, доказать, что именно с их помощью удается чувствовать магнитное поле, пока не удается. Какие же это намеки?

Современная наука не приветствует и подробно не рассматривает динамическую идею Миддендорфа о гальванических токах — а они неизбежно, в силу закона электромагнитной индукции Фарадея, должны возникать при движении сквозь магнитное поле проводника, то есть насыщенного ионами тела птицы или пчелы. Вместо этого задействованы, так сказать, статические идеи. Согласно первой, внутри некоего органа животного или непосредственно внутри его клеток находятся магнитные частички. Желательно, чтобы они были неравноосными и монокристаллическими. Их размер не велик и не мал, а как раз таков, чтобы в каждой частице размещался один и только один магнитный домен (то есть область, в котором все магнитные моменты атомов направлены в одну и ту же сторону; большая частица разбивается на несколько доменов с разной ориентацией моментов, и ее суммарный момент, усредняясь, снижается), но в то же время, чтобы тепловые флуктуации не нарушали магнитный порядок слишком малого числа атомов. При изменении направления магнитного поля частичка должна повернуться — разместить свой магнитный момент по полю, а это вызывает механические искажения вмещающей ее клетки. Если же частичка не одна, тогда должны возникать цепочки намагниченных частиц, и поле станет менять конфигурацию уже этих цепочек, что опять-таки меняет форму клетки и (или) растягивает мембрану так, что открывается какой-то ионный канал.

Для подтверждения этой гипотезы нужно найти магнитные частицы минерала магнетита, то есть смеси оксидов двух- и трехвалентного железа, и содержащих их клетки, связанные с нервной системой. И действительно, магнетит в теле обнаружен у многих животных и даже у людей, хотя последние в магниторецепции не замечены. Например, Джозеф Киршвинк и его коллеги из Калифорнийского технологического института («Proceedings of the National Academy of Science») выяснили, что в одном грамме человеческого мозга содержится не менее пяти миллионов однодоменных магнитных частиц — примерно четыре нанограмма. При этом большинство из них размером в 10—70 нм, а небольшая доля — существенно крупнее, под полмикрона. В мягких же оболочках мозга магнитных частиц примерно в двадцать раз больше. Современные данные, впрочем, дают более высокие значения. В тканях жителей таких загрязненных городов, как Мехико или Манчестер, находят до 12 мкг/г подобных частиц, то есть в тысячи раз больше, чем в Калифорнии начала 90-х («Proceedings of the National Academy of Science» - полный текст). Возникает мысль, что частицы магнетита не синтезируются в организмах городских млекопитающих, а проникают извне, например, при вдыхании выхлопных газов дизельных двигателей. Хотя наличие больших и малых частиц при отсутствии средних подсказывает, что происхождение у тех и других может быть разным. Ну а пришедшие извне частицы вряд ли могут отвечать за какой-то орган чувств — очень уж это выходит ненадежно.

Где именно, в каких клетках мозга человека расположены магнитные частицы, выяснить пока что не удалось, равно как не удалось найти и «магнитные» клетки у животных, исследовать которых гораздо проще. Зато в межклеточном пространстве и в клетках иммунной системы — макрофагах, которые предназначены как раз для того, чтобы удалять из организма всякую объемную дрянь, магнетитовые частицы имеются. Однако ни здесь, ни там они не могут передавать информацию нервной системе, а без этого какой может быть орган чувств? Да и скопления частиц во многих случаях находят вовсе не в мозге. Вот у пчел они сосредоточены в брюшке, и это, как показал опыт, ничуть не мешает магниторецепции («Scientific Reports» - полный текст). Сначала пчел приучали брать мед из кормушки с магнитным полем. Через пару дней они так к этому привыкали, что искали мед именно там, где было магнитное поле. Затем им перерезали нерв, который соединяет брюшко с грудью, то есть лишали магнитики из брюшка возможности передавать информацию с помощью нервной системы. Магнитное чувство у пчел пропадало, но мед они прекрасно забирали из кормушки, видимо ориентируясь уже только на запахи. То есть магнетитовая система вполне работала, но как именно магнитики в брюшке сообщали насекомому о присутствии поля, осталось загадочным. Авторы так и пишут: «Наши данные доказали, что магнетит играет важную роль в магниторецепции пчел. Однако связь железосодержащих клеток с нервной системой не установлена».

Зато у муравьев магнитики нашли у основания усиков антенн — все-таки поближе к прочим органам чувств. Есть мнение, что усики общественных насекомых должны стать объектом пристального внимания исследователей магниторецепции.

В общем, замечательная магнетитовая гипотеза, казалось бы подтвержденная находками магнитных частиц в мозге, благополучно разваливается при внимательном рассмотрении: нет ни чувствительных клеток, ни механизма измерения поля, ни способа передачи информации в мозг, ни понимания, какую информацию надо передавать: о напряженности поля, о его широтном или долготном склонении. В поисках выхода приходится пускаться в фантазии. Например, предполагать, что такая частичка служит в качестве крышечки ионного канала: приоткрываясь под действием поля, она освобождает путь движению ионов сквозь мембрану чувствительной клетки, и та передает возбуждение в нервную систему («Sensors» - полный текст). Расчет показывает, что изменений магнитного поля Земли вполне хватает для перемещения такой крышечки, а силы белка-пружинки, приделывающей ее к мембране, — для последующего закрывания канала. На логичный вопрос: «Что же никто таких крышечек не видел?» — следует ответ: надо тщательнее смотреть, все-таки частички очень маленькие, увидеть их непросто. Тем более когда неясно, какие именно клетки требуют столь тщательного осмотра — из мозга или из брюшка.

Альтернативный механизм связан со спиновой химией и основан на еще одном твердо установленном факте: у птиц, насекомых, земноводных способность чувствовать магнитное поле зависит от освещения — если его нет или если фильтром вырезана сине-зеленая область, то никакой магниторецепции не будет. Наверное, одними из первых соответствующие эксперименты провели уже упомянутый Вольфганг Вильчко и Росвита Вильчко с малиновкой, благо методика изучения их магниторецепции была хорошо отработана. В новых опытах птиц освещали монохроматическим светом с разной длиной волны, и по мере отхода от синей области они теряли способность ориентироваться по магнитному полю («Journal of Experimental Biology» - полный текст). Позднее подобные опыты проводили с огромным числом птиц, животных и насекомых. Важная роль света подсказывает, что чувствительный орган находится где-то в глазу, а там никакого магнетита пока что найдено не было. Зато там есть белки-фоторецепторы. На один из них, реагирующий на синюю и ультрафиолетовую часть спектра — криптохром, — и обратили внимание исследователи. Этот белок знаменит тем, что он — одна из «шестеренок» циркадных часов и отвечает за их подстройку по солнцу (см. «Химию и жизнь 2017 №11).

Однако криптохром — еще и фоторецептор, причем единственный, способный давать долгоживущую пару радикалов. Время ее жизни, как и способность к образованию связей с другими молекулами, зависит от спинового состояния образовавшихся неспаренных электронов. Магнитное же поле способно это состояние менять. Поэтому изменения в поведении криптохрома могут лежать в основе магниторецепции. В таком случае обладающие этой способностью животные и насекомые непосредственно видят магнитное поле. Нам, существам, лишенным такого чувства, понять, как все это выглядит, невозможно. Но можно пофантазировать примерно так. При повороте головы меняется ориентация молекул криптохрома относительно геомагнитного поля. Тогда, согласно базовой гипотезе радикальной магниторецепции, меняется действие этого рецептора: пары радикалов схлопываются либо какой-то белок отцепляется от него. Коль скоро криптохром связан с восприятием синего и ультрафиолетового света, то формируемая им картинка в мозге становится более или менее синей в зависимости от того, как изменилось положение глаза относительно магнитного поля. Птица фиксирует это изменение и выправляет курс.

Проверяется световая гипотеза просто. Птиц или дрозофил приучают реагировать на магнитное поле, затем выключают синий свет. И сразу вся выучка пропадает, когда его снова включают — возвращается. Другой способ: взять нормальных дрозофил и с дефектным геном, кодирующим криптохром, и посмотреть, как магнитное поле влияет на их поведение. Например, способность к ухаживанию за самками («PLoS ONE» - полный текст). У нормальных дрозофил сильное поле резко усиливает любвеобильность самцов, а на дефектных никак не сказывается. Вывод: дефектные не обладают магниточувствительностью.

Казалось бы, это доказывает неопровержимость радикальной гипотезы, и она оказывается прекрасной теорией, неплохо вписывающейся в экспериментальные данные. Однако есть серьезные возражения. Самое главное — предполагаемый механизм спиновой химии для слабого магнитного поля Земли до сих пор не продемонстрирован, его работоспособность зафиксирована для гораздо больших напряженностей магнитного поля. Не придумано и внятного биохимического механизма передачи информации в нервную систему. Как правило, в моделях упоминают некий неизвестный белок, который по-разному взаимодействует с радикальной парой в разных спиновых состояниях. Но что это за белок — никто не знает.

К усложнению картины ведут и животные, выпадающие из необходимых теоретикам закономерностей. Скажем, восточноамериканский краснопятнистый тритон обладает магниторецепцией не в одном, а в двух световых диапазонах — сине-ультрафиолетовом и близком к инфракрасному. Чтобы вписать его в концепцию, приходится придумывать весьма замысловатые превращения все того же криптохрома. Наконец, многие магниточувствительные существа обходятся без света, те же шмели, которые прекрасно ориентируются ночью. Да и перелетные птицы, например полярная крачка, летающая из Арктики в Антарктику и обратно, не прекращают полет на ночь. А ведь если именно магниторецепция отвечает за прокладывание маршрута, но в темноте она не работает, ночной полет точно собьет птиц с пути.

Для выхода из печальной ситуации некоторые исследователи допускают одновременное существование разных механизмов. Например, Вольфганг и Росвита Вильчко уверены, что у птиц правый глаз с помощью радикального механизма определяет направление движения, а расположенные в спине частички магнетита помогают распознать местоположение («Journal of Comparative Physiology A»). В общем, как видно, до разгадки тайны магнитного чувства пока что очень далеко. Может быть, простые и надежные опыты, вроде наблюдений за упорядочением псов во время дефекации помогут найти путь к научной истине или хотя бы к непротиворечивой рабочей модели.


Эта статья доступна в печатном номере "Химии и жизни" (№ 5/2018) на с. 36 — 39.

Разные разности
Собаки все понимают?
Понимание речи — это не чисто человеческий навык. Если у вас есть собака, то вы точно знаете, что это очень умное животное. И кажется, что она понимает, о чем говорят люди. А ведь так и есть.
Исполины против микропластика
Ученых интересует, как ведет себя микропластик в разных средах и как от него защититься или избавиться. И тут пришла подмога, откуда не ждали. Руку помощи с узловатыми крючковатыми пальцами протянули нам дубы.
Светящаяся петуния
Что вы скажете по поводу петунии, чьи цветки светятся в темноте подобно светлячкам? Скажете — небывальщина? Нет. Такие петунии уже появились на рынке. И появились они благодаря российской биотехнологической компании «Планта».
«Царица полей» против мышьяка
У кукурузы как кормовой культуры есть масса достоинств. Недавно ученые обнаружили у нее еще одно необычное свойство. И связано оно с мышьяком.