О перелетных птицах, восприятии магнитного поля и шапочках из фольги
Оригинал взят у _hellmaus_ в О перелетных птицах, восприятии магнитного поля и шапочках из фольги
Люди давно завидовали способности перелетных птиц, морских черепах и других животных к навигации на тысячекилометровых маршрутах. Когда до изучения способностей добрались ученые, оказалось, что эти животные воспринимают магнитное поле Земли, для чего человеку нужен компас. Много лет биологи искали у животных ферромагнитные частицы, способные работать стрелкой компаса, иногда находили (например, в носовых полостях птиц), но связать их с поведением достоверно не удавалось.
Зато выяснилось, что магнитное поле воспринимают многие не мигрирующие животные - тритоны, хомяки, крысы, бабочки и муха-дрозофила. Наконец, к рубежу веков накопились экспериментальные данные, которые показали, что биологический компас работает как-то не так, как положено компасу с магнитной стрелкой:
Во-первых, птицы не отличают северный магнитный полюс от южного, а воспринимают только наклонение силовых линий магнитного поля относительно горизонта - то есть воспринимают магнитную широту, отличают полюс от экватора (http://www.sciencemag.org/content/176/4030/62.abstract).
Во-вторых, биологический компас странно зависит от света. Он не работает в темноте или при красном освещении. Для его работы необходимо наличие голубого света, причем, попадающего в глаза. При закрытых глазах он не работает (http://jeb.biologists.org/content/204/19/3295.long).
В-третьих, биологический компас сбивается от слабых переменных магнитных полей, в том числе высокочастотных - до 10 мегагерц. «Стрелка компаса» в виде магнитного кристаллика, казалось бы, не должна реагировать на такие высокие частоты (http://www.cell.com/biophysj/abstract/S0006-3495%2809%2900468-8).
Что же это за компас такой странный? Биологи были в растерянности, помогло общение с химиками. У тех были свои странные результаты - обнаружилось несколько примеров химических реакций, которые по-разному идут в зависимости от внешнего магнитного поля. (По-русски об этих областях химии можно прочитать в замечательной книге «Химия как музыка», http://www.twirpx.com/file/241723/) Детальное разбирательство с привлечением физиков показало: во всех этих реакциях на промежуточной стадии есть пара свободных радикалов - обломков молекул, имеющих неспаренный электрон, и с внешним магнитным полем взаимодействуют спины (магнитные моменты) этих самых электронов. (Кстати, кроме внешнего магнитного поля, на спины электронов влияет спин соседних атомных ядер, поэтому в таких реакциях по-разному ведут себя изотопы одного элемента, и химики сейчас ищут такие магниточувствительные реакции для соединений урана...)
Дальше надо было найти такую магниточувствительную реакцию для молекул из биохимии, желательно, чтоб там еще свет участвовал. Нашли: в биохимическом компасе работает кофермент ФАД (производное витамина В2) в составе белка криптохрома. Этот белок уже давно был известен как светочувствительный регулятор суточных ритмов животных и растений. Из окисленной формы (ФАД) в полувосстановленную (ФАДН) он переходит как раз под действием синего света. А дальше комплекс криптохром-ФАДН, с одной стороны, активирует другие белки, которые передают сигнал в нервные клетки, с другой стороны, реагирует с активной формой кислорода (супероксидным радикалом), возвращаясь в окисленную форму ФАД. Реакция ФАДН с супероксидом проходит через стадию пары радикалов и ее скорость зависит от внешнего магнитного поля (физико-химические детали расписаны тут: http://www.ks.uiuc.edu/Research/cryptochrome/).
Криптохром находится в светочувствительных клетках сетчатки - палочках и колбочках - и, по-видимому, информация о магнитном поле передается по зрительному нерву вместе с «картинкой». Возможно, что в восприятии птицы магнитное чувство накладывается на видимый мир, примерно как летчик видит показания приборов, проецируемые на стекло кабины.
Магнитное поле Земли глазами птицы - отдельно и наложенное на панораму Франкфурта.
Спиновый химический компас, действительно, должен сбиваться от слабых переменных магнитных полей. Теория предсказывает, что сильнее всего должно влиять переменное поле с Ларморовской частотой (частотой прецесии спина электрона в данном постоянном магнитном поле). В экспериментах биофизиков из Франкфурта на перелетных зарянках (http://www.cell.com/biophysj/abstract/S0006-3495%2809%2900468-8) птички теряли ориентацию от переменных полей частотой 0,1-10 МГц и напряженностью в 90 раз ниже, чем у постоянного поля Земли (46 микротесла в районе Франкфурта). Ларморовская частота для такого постоянного поля составляет 1,315 МГц, и на этой частоте для дезориентации птицы достаточно поля напряженности 15 нанотесла - в 3000 раз слабее магнитного поля Земли!
Продолжение про дрозофилу, грызунов и человека
Люди давно завидовали способности перелетных птиц, морских черепах и других животных к навигации на тысячекилометровых маршрутах. Когда до изучения способностей добрались ученые, оказалось, что эти животные воспринимают магнитное поле Земли, для чего человеку нужен компас. Много лет биологи искали у животных ферромагнитные частицы, способные работать стрелкой компаса, иногда находили (например, в носовых полостях птиц), но связать их с поведением достоверно не удавалось.
Зато выяснилось, что магнитное поле воспринимают многие не мигрирующие животные - тритоны, хомяки, крысы, бабочки и муха-дрозофила. Наконец, к рубежу веков накопились экспериментальные данные, которые показали, что биологический компас работает как-то не так, как положено компасу с магнитной стрелкой:
Во-первых, птицы не отличают северный магнитный полюс от южного, а воспринимают только наклонение силовых линий магнитного поля относительно горизонта - то есть воспринимают магнитную широту, отличают полюс от экватора (http://www.sciencemag.org/content/176/4030/62.abstract).
Во-вторых, биологический компас странно зависит от света. Он не работает в темноте или при красном освещении. Для его работы необходимо наличие голубого света, причем, попадающего в глаза. При закрытых глазах он не работает (http://jeb.biologists.org/content/204/19/3295.long).
В-третьих, биологический компас сбивается от слабых переменных магнитных полей, в том числе высокочастотных - до 10 мегагерц. «Стрелка компаса» в виде магнитного кристаллика, казалось бы, не должна реагировать на такие высокие частоты (http://www.cell.com/biophysj/abstract/S0006-3495%2809%2900468-8).
Что же это за компас такой странный? Биологи были в растерянности, помогло общение с химиками. У тех были свои странные результаты - обнаружилось несколько примеров химических реакций, которые по-разному идут в зависимости от внешнего магнитного поля. (По-русски об этих областях химии можно прочитать в замечательной книге «Химия как музыка», http://www.twirpx.com/file/241723/) Детальное разбирательство с привлечением физиков показало: во всех этих реакциях на промежуточной стадии есть пара свободных радикалов - обломков молекул, имеющих неспаренный электрон, и с внешним магнитным полем взаимодействуют спины (магнитные моменты) этих самых электронов. (Кстати, кроме внешнего магнитного поля, на спины электронов влияет спин соседних атомных ядер, поэтому в таких реакциях по-разному ведут себя изотопы одного элемента, и химики сейчас ищут такие магниточувствительные реакции для соединений урана...)
Дальше надо было найти такую магниточувствительную реакцию для молекул из биохимии, желательно, чтоб там еще свет участвовал. Нашли: в биохимическом компасе работает кофермент ФАД (производное витамина В2) в составе белка криптохрома. Этот белок уже давно был известен как светочувствительный регулятор суточных ритмов животных и растений. Из окисленной формы (ФАД) в полувосстановленную (ФАДН) он переходит как раз под действием синего света. А дальше комплекс криптохром-ФАДН, с одной стороны, активирует другие белки, которые передают сигнал в нервные клетки, с другой стороны, реагирует с активной формой кислорода (супероксидным радикалом), возвращаясь в окисленную форму ФАД. Реакция ФАДН с супероксидом проходит через стадию пары радикалов и ее скорость зависит от внешнего магнитного поля (физико-химические детали расписаны тут: http://www.ks.uiuc.edu/Research/cryptochrome/).
Криптохром находится в светочувствительных клетках сетчатки - палочках и колбочках - и, по-видимому, информация о магнитном поле передается по зрительному нерву вместе с «картинкой». Возможно, что в восприятии птицы магнитное чувство накладывается на видимый мир, примерно как летчик видит показания приборов, проецируемые на стекло кабины.
Магнитное поле Земли глазами птицы - отдельно и наложенное на панораму Франкфурта.
Спиновый химический компас, действительно, должен сбиваться от слабых переменных магнитных полей. Теория предсказывает, что сильнее всего должно влиять переменное поле с Ларморовской частотой (частотой прецесии спина электрона в данном постоянном магнитном поле). В экспериментах биофизиков из Франкфурта на перелетных зарянках (http://www.cell.com/biophysj/abstract/S0006-3495%2809%2900468-8) птички теряли ориентацию от переменных полей частотой 0,1-10 МГц и напряженностью в 90 раз ниже, чем у постоянного поля Земли (46 микротесла в районе Франкфурта). Ларморовская частота для такого постоянного поля составляет 1,315 МГц, и на этой частоте для дезориентации птицы достаточно поля напряженности 15 нанотесла - в 3000 раз слабее магнитного поля Земли!
Продолжение про дрозофилу, грызунов и человека