Măcăleandrul
Magnetorecepția este un simț care permite organismelor să perceapă câmpuri magnetice (în speță câmpul magnetic al Pământului). Este întâlnită la bacterii, artropode, moluște și la diferite grupuri de vertebrate, având diferite roluri la diferite specii: reglare ritm circadian la Drosophila, orientare și navigație la alte specii.
Unii oameni de ştiinţă consideră că miezul lichid al planetei, care are în componenţă metale precum fierul şi nichelul, dă naştere câmpului magnetic. Efectul este cunoscut sub numele de efect de dinam şi s-ar produce datorită mişcării în convecţie a sarcinilor electrice prezente în structura nucleului exterior al Pământului. Această teorie a dinamului încearcă să descrie procesele prin care un fluid bun conductor din punct de vedere electric aflat în mişcare de rotaţie şi de convecţie poate genera şi întreţine un asemenea câmp magnetic.
Câmpul magnetic furnizează informații la diferite nivele organismelor. Polul Sud magnetic corespunde Polului Nord geografic și invers. Liniile de câmp magnetic au o direcție bine determinată, pleacând din Polul Sud magnetic și se îndreptându-se către Polul Nord magnetic. Astfel polaritatea liniilor de câmp magnetic oferă informații cu privire la direcția către un pol sau către celălalt, cu excepția polilor unde liniile de câmp sunt perpendiculare pe suprafața Pământului. Unghiul format de liniile câmpului magnetic și suprafața Pământului se numește „declinație magnetică”. Acesta variază de la -900 la Polul Sud magnetic la 00, la +900 la Polul Nord magnetic. În teorie declinația magnetică și intensitatea magnetică pot fi folosite pentru determinarea poziției, dar în general pe Pământ aceastea variază predominant de la Nord la Sud, și semnificativ mai puțin de la Est la Vest.
Păsările au fost dintotdeauna în atenția cercetătorilor în ceea ce privește abilitatea lor deosebită de orientare și navigație fără de care nu ar putea să migreze pe distanțe așa lungi. Odată cunoscut faptul că păsările se folosesc de magnetorecepție pentru orientare, s-au realizat cercetări din care reiese că în afară de orientare și navigație, , informațiile magnetice par să poată influența și alte procese fiziologice, precum îngrășarea și motivația migratorie, ca factori declanșatori ai schimbărilor comportamentale. Deși răspunsurile comportamentale la acești factori geomagnetici sunt relativ bine înțelese, mecanismele fiziologice care permit păsărilor să simtă câmpul magnetic al Pământului rămân o problemă nerezolvată a biologiei la care se lucrează în prezent.
Așadar, cercetarea a pornit de la experimente care vizau comportamentul păsărilor migratoare. În urma studiului s-au determinat 3 caracteristici deosebite ale sistemului de orientare bazat pe magnetorecepție, caracteristici care indicau că sistemul are la bază alte principii față de o busolă:
1. Orientarea se bazează pe unghiul făcut de liniile magnetice cu suprafața Pământului, deci sistemul percepe traiectul liniilor de câmp și interpretează înclinarea lor în spațiu. Nu distinge între cei 2 poli, ci percepe traiectul liniilor, acestea fiind orientate în jos către poli și în sus către ecuator.
2. Orientarea este adaptată intensității câmpului magnetic în condiții naturale (al Pământului), câmpurile cu intensitate mai scăzută sau mai ridicată cauzează dezorientare. Acest interval de funcționare optimă nu este fix, el poate fi modificat prin expunerea păsărilor la intensități în afara lui, pe care le pot folosi ulterior pentru orientare.
3. Este dependent de lumină cu lungimi de undă din domeniul ultraviolet până la aproximativ 565 nm (culoarea verde), în prezența luminii preponderent galbene sau roșii păsările sunt dezorientate
Pornind de la datele experimentale care au evidențiat anumite proprietăți ale sistemului de orientare, cercetătorii au propus un model teoretic, cel al magnetorecepției pe baza perechilor de radicali. O moleculă fotosensibilă (D) absoarbe un foton și eliberează un electron care este transferat unei molecule acceptor (A), formându-se astfel o pereche de radicali. Dacă aceștia persistă mai mult decât în mod normal (>1 μs), pot exista în două stări în funcție de spinul electronilor: stare de singlet (antiparalel) și stare de triplet (paralel). Cele 2 stări au proprietăți chimice diferite, deci pot forma produși de reacție diferiți. De asemenea ele se află într-un echilibru datorat interconversiei între cele 2 stări. Câmpurile magnetice externe influențează acest echilibru deplasându-l într-o direcție sau alta.
Ochiul a fost sugerat ca fiind locul unde acest proces are loc deoarece:
-
-
- lumina este prezentă la acest nivel,
- datorită formei sale aproximativ rotunde receptorii aliniați perpendicular pe suprafața sa sunt orientați în toate direcțiile spațiale
-
Dacă o pasăre se uită pe direcția liniilor câmpului magnetic, moleculele receptoare ar fi paralele pe direcția câmpului magnetic rezultând o zonă deschisă în câmpul vizual.
La periferia globului ocular, moleculele ar fi perpendiculare pe direcția câmpului magnetic, rezultând o zonă închisă în câmpul vizual. Între aceste 2 zone moleculele ar fi orientate la diferite unghiuri, ducând la apariția de zone gri de diferite intensități. Modelul teoretic respectă caracteristicile determinate experimental:
-
-
- deoarece raportul dintre stările singlet/triplet depinde de traiectoria liniilor de câmp, nu de polaritatea lor, rezultă un compas bazat pe declinație, ca cel descoperit la păsări
- faptul că păsările se pot adapta în afara intervalului normal de intensitate este explicat de modelul de activare care depinde de intensitatea magnetică.Schimbarea bruscă de intensitate duce la un model de activare nou, dar care păstrează simetria celui inițial care are la bază vectorul câmp magnetic.
-
Criptocromul - molecula magnetoreceptoare propusă - absoarbe radiații cu lungimi de undă scurte (domeniul UV) până la 560 nm și astfel respectă datele experimentale care indică o dependență de lumină a orientării păsărilor. Gruparea cromoforă a criptocromului este flavina (FAD), care ia parte la un ciclu de reacții redox: absorbția unui foton reduce FAD la FADH, formând o primă pereche de radicali cu triptofanul. Ulterior, FADH0 este din nou redusă la FADH- , ce va fi reoxidat fără acțiunea luminii. În timpul acestui proces se formează a doua pereche de radicali. Rezultele experimentelor arată că formarea celei de-a doua perechi de radicali care are la bază reoxidarea FADH- este crucială, iar formarea FADH- este dependentă de lumină.
Activarea criptocromului poate afecta sensibilitatea la lumină a neuronilor retinieni , cu rezultatul general că animalul poate simți câmpul magnetic. Criptocromele animale și animalele strâns înrudite (6-4) fotoliazele conțin un lanț mai lung de triptofani care transferă electroni decât alte proteine din superfamilia criptocrom-fotoliază (o tetradă triptofană în locul unei triade). Lanțul mai lung conduce la o separare mai bună și la o durată de viață de peste 1000 de ori mai lungă a perechilor de radicali flavină-triptofan fotoinduse decât în proteinele cu o triază de triptofani. Absența recombinării spin-selective a acestor perechi de radicali la nanosecundă la microsecundă pare să fie incompatibilă cu sugestia că magnetorecepția prin criptocromi se bazează pe reacția luminii directe.
Procesarea informațiilor cu privire la direcție în creier
Orice tipar de activare cauzat de câmpul magnetic la nivelul retinei trebuie transmis de nervul optic către creier pentru a fi procesat. Modul în care rapoartele singlet:triplet pot fi transformate într-un semnal senzorial nu este pe deplin elucidat. Teste asupra comportamentului au arătat că, la păsările adulte, busola magnetică nu este situată central, ci se află mai degrabă în ochiul drept, astfel informațiile respective fiind procesate predominant la nivelul emisferei stângi.
Păsările migratoare tinere pot folosi ambii ochi în timpul primului zbor de toamnă, lateralizarea busolei având loc între toamnă și primăvară. Inițial acest fenomen s-a dovedit a fi unul reversibil, observându-se anularea acestuia prin acoperirea timp de 1 ½ ore a ochiului drept, fapt ce a lăsat să se înțeleagă că lateralizarea busolei magnetice este inițial cauzată de interacțiuni asimetrice inhibitoare între cele două emisfere. Când ochiul drept a fost acoperit, plasticitatea sinaptică pe termen scurt a redat capacitatea ochiului stâng și a emisferei drepte de a procesa informațiile referitoare la direcție. Cu toate acestea, poziționarea busolei înspre ochiul drept a revenit odată ce acesta a putut fi folosit din nou. Centrii din creier unde sunt prelucrate aceste informații magnetice direcționale nu sunt încă pe deplin clari. Observațiile anterioare sugerează o implicare a căii. Răspunsurile electrofiziologice la modificările direcțiilor magnetice au fost înregistrate de celulele sensibile la direcție de la nivelul nucleului optic bazal, dar studiile recente nu au reușit să observe activitate indusă de câmpul magnetic în tractul optic.
Folosind markeri de activitate neuronală, o parte din Eminentia sagittalis numită clusterul N, s-a observat a fi o zonă cu activitate neuronală considerabilă în timpul migrării pe timp de noapte folosind busola magnetică. S-a constatat că acest cluster N este conectat cu neuronii retinieni prin intermediul talamusului, lezarea clusterului N ducând la dezorientare. Studiile ce compară activitatea markerilor neuronali la păsări supuse unui câmp magnetic static și păsări supuse unui câmp magnetic rotativ au indicat o anumită creștere a numărului de arii corticale , cea mai pronunțată fiind la nivelul hipocampului rostral dorsomedial.
Cu toate acestea, însă sunt o multitudine de procese neelucidate în modul în care se formează un semnal senzorial prin procesul de magnetorecepție pe bază de radicali, modul în care semnalul magnetic este separat de informațiile vizuale și despre zonele creierului în care sunt procesate informațiile referitoare la direcție.
Bibliografie
-
-
- Wiltschko, Roswitha, and Wolfgang Wiltschko. “Magnetoreception in birds.” Journal of the Royal Society, Interface vol. 16,158 (2019)
- Mouritsen, Henrik. (2015). Magnetoreception in Birds and Its Use for Long-Distance Migration. 10.1007/978-3-642-10,769-6_20.
- Yin, Zhang-qi & Li, Tongcang. (2016). Bringing quantum mechanics to life.
-
Studenți: Rucsandra DUMITRESCU și Mihail PREDA
Secţia Biochimie, Anul III, Facultatea de Biologie, Universitatea din Bucureşti