大自然的导航系统

鸟类是最高航海家。在秋天,bar-tailed黑尾豫从西伯利亚和飞越10000公里到新西兰。如果他们被吹离了航道,鸟儿可以调整。如果科学家成人椋鸟的空气,鸟儿正确位移;他们似乎拥有一个GPS地图和指南针。人们一直认为迁徙鸟类和其他动物可以使用地球的磁场惊人的导航,但是正是他们这么做是最持久的生物学的奥秘之一。

在过去的几年里,物理化学家已经抵达现场,正在与遗传学家,动物行为科学家和神经生物学家探究动物如何感觉。有一种理论认为地球的弱磁场可能影响感官细胞内的化学反应,从而使动物检测领域的变化,尽管- 25至65 microtesla这个领域比你弱100倍会从冰箱磁铁。

激进的对化学反应对磁场。这涉及到对瞬态自由基同时被创造出来,这样两个电子自旋,一个在每一个激进,是相关的。它们的化学命运在很大程度上是由弱磁相互作用,这样你得到自由基与未配对电子自旋平行或反平行(单重态)(三重态)。

”尽管电子自旋相互作用的一个应用领域是非常微弱的,有足够的时间来影响单线态和三线态激进两州之间的平衡,因此改变产品的产量形成,”解释道彼得·马物理化学家在英国牛津大学的领军人物和自旋化学在导航的作用。这种变化可以检测并最终成为神经信号。这是激进的一对magnetosensing机制的基础。

磁奇迹

该机制首次提出了鸟类导航在1970年代。这被视为一个有趣的和古怪的想法,但不是太严重由于缺乏实验证据。在2000年,一切都改变了美国伊利诺伊大学的研究人员提出了一个分子可能做这种化学:隐花色素。¹

在1990年代,它是发现,鸟类的磁罗经是光敏的,”马解释道。这需要太阳光谱的蓝色部分,所以候选人magnetoreceptor需要生物分子会吸收蓝光。并没有太多的光感受器。一步中一种,疯狂的感光蛋白在1993年首次发现于植物。事实上他们是光驱动符合来自鸟类的证据表明鸟类再也不能“看到”地球的磁场,如果剥夺了光的。

四种不同中一种已经被发现的鸟类,但参与magneto-detection尚不清楚。然而,这些蛋白质站作为唯一候选人radical-pair magnetoreceptor。

光致还原作用的完全氧化状态的黄素腺嘌呤二核苷酸(时尚)发色团在隐花色素是由电子转移三个色氨酸残基给一对激进flavosemiquinone激进和彻底源自终端tryprophan-triad的残渣。²在植物,flavosemiquinone形式的隐花色素蛋白被认为是信号状态这形式也可能青睐的动物。冲激着,克丽丝汀Timmel在牛津大学和德文斯阵风在美国亚利桑那大学使用一个模型系统,在结构上与隐花色素无关,显示radical-pair-based化学指南针的原理。光致彻底对这个三元组模型分子,包括类胡萝卜素、卟啉和富勒烯团体——应对磁场和地球一样软弱。³

我们有一个合理的想法当隐花色素吸收蓝色光子。触发电子转移并产生一个激进的一对,”马说。”形成了一个激进的黄素辅因子的蛋白质,然后它就会发生构象变化影响的能力结合信号的伙伴,它假定,是开始的信号转导,最终导致大脑神经信号会——但很之间不知道发生了什么。”

的老鼠,男人和蝴蝶

隐花色素的证据和地磁场检测也来自基因研究。这些蛋白参与了生物钟,使生物计算时间。史蒂文·雷佩特美国马萨诸塞大学的感兴趣而破解黑脉金斑蝶从美国东部迁移到墨西哥。蝴蝶主要使用太阳罗盘导航的生物钟,但雷佩特认为他们可能使用磁受作用作为备份在阴天。

他决定看看会发生什么,当你敲出隐花色素基因在果蝇。苍蝇被训练来检测磁场和有magnetosensing响应中断,然后恢复基因表达时给使用人类隐花色素基因。⁴’对我来说没有意义,如果其他脊椎动物使用隐花色素作为magnetosensor,人类可能不会做同样的事,”雷佩特说。人的视网膜上有大量的隐花色素,给cryptochrome-deficient苍蝇一个人类蛋白质编码允许转基因果蝇反应好像有自己的蛋白质。⁵

这是相当惊人的,但你得小心解释。我们正在将人类蛋白质到昆虫的大脑,这是连接到正确的系统,但是这个系统是否存在于人类的视网膜尚未确定。尽管如此,隐花色素参与磁受作用加强了和雷佩特说他的实验室现在有令人兴奋的帝王蝶导航数据。

的问题如何下令中一种的眼睛仍然是难以捉摸的。的一些理论预测说,他们必须要求但没有证据表明它们的生物学家说理查德·荷兰英国贝尔法斯特女王大学的。的方向上,我们需要隐花色素分子被固定,可能一致,也许附加或相关的视紫红质,视觉感受器,“马说。缺乏证据中一种调整的眼睛一直被人们视为问题这个模型的磁受作用,但一旦相信订购可能。

此外,神经解剖学的研究最近报告发现一个特定的隐花色素只在所有紫外线的外节锥在视网膜上的鸡和知更鸟,magnetoreceptors暗示这些受体细胞是可能的。⁶尚未表明他们旋转受限,但提高radical-pair的想法。Roswitha Wiltschko一只鸟导航在德国法兰克福大学的生物学家,是这项研究的第一作者。她认为,激进的配对机制可能会给鸟儿一个方向的指南针,但是她看起来其他地方强度传感器。Wiltschko认为磁铁矿参与鸟类magnetosensing能力。磁铁矿是一种特定形式的氧化铁,一个稳定的磁矩的大小范围1.2 - 0.05µm作为微型永磁。

应该记住,地磁场的可测量的特征:有电场线的方向,这是类似一个字段的定向罗盘指南针,但也有强度,减少从南极到赤道,所以提供纬度的信息。但视觉只涉及磁场线,提供方向,强度,”Holland说。磁铁矿长认为检测强度,提供一个双系统。

神秘的磁铁矿

霍瑞中一种相信眼睛,使用自旋化学检测磁场,是最有可能的一种定向,但表示,它还可能提供强度信息。此前一个重大改组后导航领域的生物学认为强度罗盘-在嘴摔成了碎片位于奥地利的科学家。

那些一直相信研究领域描述矿物结构的上喙鸽子,位于感觉神经末梢,magnetite-based系统检测强度。然后大卫keay研究所的分子病理学在维也纳会议上站了起来magnetosensing和拆除这些结构。我是最后一个演讲者,他们给了我一个八分钟槽。会议期间,人们谈论这些magnetosensors然后我站起来,说,都是错误的。有些人被说服的数据,但大多数观众不相信我,”keay回忆道。

现在大多数都是说服。keay所做分析近200只鸽子喙使用普鲁士蓝和显微技术来检测铁。⁷“我们经历了一个漫长的痛苦的过程试图确定这些magnetoreceptors,却发现他们富含铁的巨噬细胞。在细胞,巨噬细胞帮助处理多余的材料和keay说,他看到他们积极席卷铁粒子,很多动物的废料。

嘴仍然青睐网站magnetosensors基于磁铁矿由于间接证据。例如,削减三叉神经使迷惑鸟类和使他们无法检测磁场。同时,短的电磁脉冲破坏成年鸟已被证明,类似于如何remagnitised指南针指向错误的方向。如果你给鸟儿一个强磁脉冲,这将永久re-magnetise磁铁矿等磁性材料,你可以改变成人候鸟的行为,”Holland说。这不会影响eye-based机制。定向障碍只持续几天,Wiltschko解释说,他在澳大利亚silvereyes进行这样的实验。“我相信一定有磁铁矿受体在喙,”她说,他们最有可能检测磁场强度的所以给南北位置信息。

荷兰的观点的反驳嘴感觉结构标记领域的重大进展,因为它迫使许多到规定的磁铁矿系统如何工作。现在,科学家们正在重新看着magnetite-based系统可能所在。与磁场的问题是,它渗透在所有组织中。不需要有重点器官表面的生物(如眼睛或耳朵)。这是一个原因它是如此难以找到磁感,”Holland说。理论上他们可以在身体的任何地方。”

耳朵有吗?

一些研究人员保持密切的执着于视觉系统或一个磁铁系统。肆虐的论点,与大多数事情一样在动物导航。由于某种原因似乎相当两极分化,没有双关,但有些人提出了磁铁矿系统认为visual-based系统不能正确,必须是一个鸟的视觉系统的人工制品,”Holland说。他所做的脉冲研究蝙蝠,这表明他们可能使用magnetite-based系统。

耳朵也再次为鸟类磁检测可能的位置。大卫Dickman在美国德克萨斯大学发现脑干细胞方向的鸽子记录,应用磁场的强度和极性。⁸这是符合一个铁基粒子受体,但这项研究还表明,这些细胞是什么记录来自鸟儿的内耳。keay一直印象深刻,并计划做后续工作在内耳,富含铁的细胞可能坐落的地方。我认为将一种磁机械刺激敏感的感官结构是有意义的,”他说。

霍瑞说一双伟大的美德激进的机制是,它可以进行测试。”它是一种机制,使固体的预测,可以通过实验测试。中一种“马术和Timmel已经表明,确实是磁敏感。⁹通过Wiltschko和他的同事们提供了一些支持性的证据。激进的双反应可以通过振动的影响以及静态磁场,产生影响,可以利用对激进的存在对一个不言而喻的考验。Wiltschko报道欧洲知更鸟受到射频场。¹⁰她的团队发现了一个敏感的、明显的共振、定向障碍反应在理论上预测弱射频场频率的射频场(~ 1.3 mhz) 15 nanotesla, 3000倍比地球磁场较弱。”可以说是迄今为止最令人信服的证据的一个激进的罗盘在鸟类,“马说。

潜在的应用

导航领域划分的复杂性。其他涉及导航线索包括嗅觉、次声和星光。此外,不仅仅是能拥有一个隐藏的鸟类磁罗盘——鱼、两栖动物、爬行动物、昆虫和哺乳动物如鼢鼠也有一个。最好的记录的例子包括鸽子,海龟和带刺的龙虾。一个或多个可以用信号的组合,或一个或两个类型的magnetosensor。

Holland说它已经被生物学家很难掌握的理论性质的一些radical-pair论文,但大多数接受它作为一个很好的假设。他描述了遗传学家的参与,生物化学家和物理化学家的实际发展和进展的迹象在动物导航”。但仍有许多谜团为许多生物在这个意义上是如何工作的。这是具有挑战性的设计实验和概念化可能像一只鸟,”keay说。但令人惊讶的是,关于这个意义上的基本问题仍然没有答案。”

马术的小组工作在牛津动摇了动物导航领域,但一旦相信在技术应用程序可能有涟漪。这个问题出现的越来越多的理解可能影响动物磁受作用是人类是否通过我们的电磁场暴露我们的电气设备的使用。这似乎不太可能,冲激着说:涉及到的磁场非常弱,没有可靠的证据,任何这样的效果,和生物学效率机制应对高浓度的自由基。

霍瑞最近收到欧洲研究理事会资助研究动物的生物物理学指南针和探索磁传感技术的可能性受到纠缠态的电子自旋的相干动力学cryptochrome-based激进的配对。这个新项目的一部分将探索电子可寻址的可行性,有机半导体传感器受到radical-pair磁受作用。我的预测是,很多会走出这个magentoreception业务远远不仅仅是动物如何导航”。

安东尼是一个基于科学作家王在都柏林,爱尔兰