Магниторецепторы

Косвенным подтверждением особой биологической роли геомагнитного поля являются его высокая проникающая способность и влияние на различные внутриклеточные структуры, в первую очередь на те, которые обладают ферромагнитными свойствами. Так, предполагается, что птицы, дельфины, тунцы определяют направление магнитного поля Земли с помощью расположенных в мышцах частиц магнетита. Их незначительное смещение может восприниматься высокочувствительными к давлению и растяжению мышечными волокнами и корригировать направление движения. Вероятно, функционируя как магниторецептор, ферромагнитные зерна каким-то образом связаны с нервными волокнами и составляют с ними единый детектор. [c.7]

Часто бывает важно знать не только химический состав выявленных в биологическом образце магнитных включений, но и размер зерен, и величину взаимодействия между их магнитными моментами. Такая информация необходима, например, для установления структуры магниторецепторов, которая должна сильно зависеть от размеров частиц магнитного материала. Размер зерен можно определить, исследуя самые разные магнитные свойства образца. Известно, однако, что температура магнитного упорядочения и намагниченность не зависят от размера зерен. [c.197]

Попытаемся определить характеристики макроскопического первичного преобразователя для случая индукционного магниторецептора исходя из анализа шумов и чувствительности. Механизм последующей переработки информации, поступающей от макроскопического преобразователя, по всей вероятности, похож на другие нейронные процессы. Будем считать, что, как и в случае других органов чувств, этот механизм работает на таком уровне чувствительности, который близок к обусловленному шумом теоретическому пределу, и поэтому будем пренебрегать любым шумом, вносимым на более поздних стадиях, сконцентрировав все внимание на первичном преобразователе. [c.295]

То, что магнетитные кристаллиты в самом деле могут быть ответственны за магниторецепцию у животных, показано только для бактерий. Тем не менее известно, что такие материалы способны обеспечить наблюдаемую чувствительность к геомагнитному полю, а возможно, и более высокую чувствительность. В следующем разделе мы обсудим, может ли обладать необходимой чувствительностью индукционный магниторецептор, и попытаемся оценить характеристики соответствующего органа. [c.296]

Таким образом, приемлемые значения г w d для органа магниторецепции, основанной на индукции, лежат в трапецеидальной области, представленной на рис. 9.1. Отсюда следует, что катушка магниторецептора имеет радиус г = Ъ мм, а диаметр проводника составляет d = 1 мм, причем эти оценки получены с точностью до множителя около [c.302]

Магниторецептор, основанный на индукции Фарадея и не использующий магнетита, может существовать у таких наземных животных, как птицы. Чтобы обладать чувствительностью, необходимой при детектировании магнитного поля Земли, подобный орган должен иметь размеры порядка миллиметра. Подходящими кандидатами на роль таких органов представляются полукружные каналы внутреннего уха. В случае еще более мелких животных, для которых описанные органы слишком велики, индукционная магниторецепция исключена. [c.304]

Глава 10 ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ОЦЕНКЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ФЕРРОМАГНИТНЫХ МАГНИТОРЕЦЕПТОРОВ [c.306]

Глава 11 РАЗМЕР ЧАСТИЦ В МАГНЕТИТНЫХ МАГНИТОРЕЦЕПТОР АХ [c.319]

Размер частиц в магнетитных магниторецепторах 321 [c.321]

Главными тестами для проверки гипотезы о роли магнетита должны быть поведенческие и физиологические опыты. Однако в этой главе описаны физические тесты, имеющие отношение к структуре и функции магниторецептора, основанного на магнетите. Они включают магнитометрические исследования, предназначенные для идентификации отложений магнетита в различных организмах, а также для анализа размеров, формы и расположения кристаллов. Второй способ идентификации минерала-это выделение магнитного материала и анализ его дифракционных спектров. Выделение позволяет также определить размеры и форму отдельных кристаллов и дает сведения о процессе биоминерализации. [c.191]

Открытие однодоменного магнетита в организме разных групп многоклеточных животных создает основу для общего представления о механизме магниторецепции, который мог бы использоваться и в водных, и в наземных условиях. У позвоночных такой магнетит был обнаружен в передней области твердой мозговой оболочки или в связи с решетчатыми костями черепа (см. гл. 21, 24, 25, 26). Мы нашли однодоменный магнетит с практически идентичными магнитными свойствами в ткани решетчато-обонятельной кости у представителей нескольких отрядов костистых рыб. Проведенное нами исследование магнетитных кристаллов у желтоперых тунцов показало, что они имеют длину в среднем 45 нм, а диаметр 38 нм (рис. 20.7) и организованы в виде взаимодействующих друг с другом структур, которые, по-видимому, способны поворачиваться, по крайней мере частично. Эти данные позволяют уточнить наши предсказания относительно организации магниторецептора и чувствительности к магнитному полю у рыб. [c.208]

Поскольку литература по влиянию магнитных полей на организм очень велика, ссылки на работы, выполненные на других (помимо грызунов) животных, приводятся лишь в разд. 4, посвященном поискам магниторецепторов. [c.306]

Одной из главных целей биомагнитных исследований является выяснение природы биологических магниторецепторов. Как следует из названия этого тома, основное внимание исследователей в настоящее время сосредоточено на биогенных материалах, которые могут обладать постоянной или индуцированной намагниченностью. Однако с теоретической точки зрения нужно рассмотреть и другие материалы. Поскольку на движение любого электрического заряда влияют магнитные поля, в качестве потенциальных механизмов магниторецепции следует рассматривать ионные и электронные токи, имеющиеся внутри организмов. Помимо этого биомагнитные исследования должны включать в себя изучение электрорецепции, поскольку магнитное поле, направление или величина которого меняется во времени, всегда сопровождается электрическим полем (закон Фарадея), и организм, движущийся в магнитном [c.65]

Одним из самых интересных и многообещающих направлений биомагнитного приборостроения, не рассмотренных в этой главе, является конструирование магнитометров для измерения магнитных полей, связанных с жизнедеятельностью живых организмов. Как мы отмечали во введении, из такого рода применений наиболее перспективны магнито-энцефалография, магнитокардиография, а также исследования магнитного поля нервных импульсов. Возможно, магниторецепторы, если они существуют, будут обнаружены именно с помощью сквид-магнитомет-рии. [c.206]

Предлагались различные экзотические механизмы, с помощью которых магнитное поле могло бы индуцировать в нейронах нервные импульсы электрическим или электрохимическим путем. Однако энергия квантов, характерная для взаимодействия с геомагнитным полем, чрезвычайно мала и прямая стимуляция нейронных процессов кажется маловероятной. Должен существовать какой-то первичный преобразователь сигнала. Оба обнаруженных в природе магниторецептора (у бактерий и пластиножаберных рыб) действительно имеют такие макроскопические преобразователи. Лежащие в основе их действия механизмы-вращающий момент, приложенный к магнитному материалу, и индукция Фарадея-являются также простейшими и наиболее очевидными с точки зрения физики способами детектирования магнитных полей. [c.295]

Для регистрации очень малых напряжений, индуцируемых при вращении катушки, необходим чувствительный электрорецептор. По-видимому, наиболее чувствительным из известных биологических электрорецепторов обладают пластиножаберные рыбы. Однако наличие чувствительного элек,трорецептора - это лишь необходимое, но не достаточное условие. Нужно еще, чтобы мощность сигнала, подаваемого с катушки на электрорецептор, превосходила мощность теплового шума. Это условие определяет порог чувствительности детектора и тем самым налагает ограничения на устройство и форму катушки магниторецептора. [c.297]

Гипотеза о существовании у насекомых или позвоночных магниторецепторов, работа которых основана на использовании магнетита, пока не получила четкого экспериментального подтверждения. Как это видно из обзора Гриффина (Griffin, 1982), число противников идеи о том, что животные способны воспринимать геомагнитное поле, все еще довольно велико. Быть может, окончательный ответ на этот вопрос дадут эксперименты по изучению поведения желтоперого тунца. Но даже и в этом случае останется нерешенным вопрос о природе магниторецептора. [c.315]

Еще одним косвенным тестом может служить характер танца пчел в переменном магнитном поле. На утрату магнитного чувства у животного, помещенного в быстро меняющееся магнитное поле, указывают многие модели, однако оценить характерное время поворота магнита и предсказать тем самым характерное время ( f/цй) изменения поля можно только с помощью модели со свободным вращением. Это время оказывается обратно пропорциональным напряженности поля. Ранее в этой главе мы показали, что при разумных значениях параметров и напряженности поля 0,5 Гс время поворота равно примерно 20 мс. Таким образом, можно ожидать, что точность ориентации танца ухудшится в переменном поле с амплитудой 0,5 Гс и частотой 50 Гц (или меньшей в случае большей вязкости частота, при которой ухудшается точность ориентации, позволяет экспериментально измерить время отклика магниторецептора). Такое ухудшение может быть скомпенсировано увеличением амплитуды поля, поскольку время отклика обратно пропорционально напряженности, хотя в случае постоянного поля и функция Ланжевена, и эксперимент Киршвинка предсказывают лишь очень малое улучшение ориентации с увелтением поля. [c.316]

На основании всего сказанного выше можно предположить, что важным параметром, разграничивающим две сенсорные функции, которые может выполнять магниторецептор,- определение направления поля или определение его абсолютной величины, служит значение магнитного момента соответствующей органеллы. Это предположение можно проверить, сравнив отношение ц5//сГ для магнетитных кристаллов, обнаруженных у голубей, пчел, рыб и т.д. Такое сравнение удобно производить с помощью диаграммы Батлера - Банерджи, представленной на рис. 11.4. Каждая точка на диаграмме задает размер и форму магнетитного параллелепипеда, так что его магнитный момент также фиксирован. На рис. 11.4 нанесены три пунктирные линии, отвечающие постоянным значениям магнитного момента гранул и соответствующие у = 0,1, 1 и 10, причем предполагается, что гранула находится в геомагнитном поле (50 мкТл, или 0,5 Гс) при температуре тела животного (310 К), Как видно из диаграммы, в случае голубей и рыб большая часть кристаллов находится в области несколько ниже кривой у = 1, так что они слишком малы, чтобы служить компасными органеллами (рецепторами направления поля), а у голубей-даже рецепторами напряженности. [c.328]

Горизонтальные магнитные танцы можно было бы использовать в качестве более прямой, чем ошибки направления, экспериментальной системы для изучения детектора магнитного поля. Первые попытки с ее помощью выяснить природу детектора уже были предприняты (Gould et al., 1980 Kirs hvink, 1981). Подробнее эти результаты мы обсудим ниже. Используя горизонтальные танцы, можно легко измерить абсолютную чувствительность детектора и приблизиться к выявлению причин возникновения временной задержки в реакции пчел на скачки величины поля. К сожалению, с помощью горизонтальных танцев, вероятно, нельзя изучить реакцию магниторецептора на малые кратковременные изменения поля, так как такие изменения, по-видимому, слабо или вообще не влияют на спонтанную ориентацию. В любом случае горизонтальные магнитные танцы представляют наиболее убедительный пример реальной ориентации пчел в магнитном поле, и это явление несомненно будет использовано в дальнейшем для изучения механизмов детектирования и обработки информации о магнитном поле. [c.158]

Рис. 18.9. Суперпарамагнитный эластичный стержень в роли магниторецептора. А. Под действием внешнего поля магнитные моменты суперпарамагнит-

Как уже отмечалось, в магниторецепторе энергия взаимодействия между частичками магнетита и геомагнитным полем должна вызывать определенный сдвиг мембранного потенциала. Киршвинк и Уокер (гл. 11) предполагают, что на уровне рецептора первостепенное значение имеют энергетические факторы, и показывают, что для магниторецепции наиболее пригодны однодоменные частицы магнетита. Чтобы преобразовать энергию взаимодействия частиц с геомагнитш>ш полем в нервный сигнал, они должны обладать хотя бы небольшой подвижностью тогда внешнее поле будет действовать на них упорядочивающим образом и их положение или перемещение может использоваться для преобразования магнитных стимулов в механические. [c.196]

Участие магнетита в магниторецепции у многоклеточных животных не может считаться доказанным до тех пор, пока не будет выяснена связь между кристаллами магнетита и активацией сенсорных нервных волокон, передающих в центральную нервную систему информацию о магнитном поле. Однако выявление биогенного магнетита, который мог бы использоваться различными представителями беспозвоночных и позвоночных, позволяет решить трудный теоретический вопрос об общем сенсорном механизме восприятия магнитных полей и выдвинуть разумную рабочую гипотезу для экспериментальной проверки многих предположений относительно магниторецепции. Эту гипотезу могли бы существенно подкрепить опыты, в которых исследовалось бы влияние ферромагнитных эффектов на поведенческие реакции, связанные с магнитными полями. Киршвинк и Уокер (гл. 11) предлагают схему экспериментов для оценки магнитных моментов магниторецепторов, основанных на магнетите, и для проверки теоретических ограничений, налагаемых на рецепторы, участвующие в ферромагнитном детектировании направления и величины магнитного поля. [c.209]

Наличие магнетита в организме грызунов еще не доказывает, что он используется для детектирования магнитных полей очевидно, что магниторецептор должен иметь надлежащие связи с центральной нервной системой. Поэтому наряду с разносторонними исследованиями, направленными на поиски магнитного материала, проводились также работы с целью идентифицировать внутри ЦНС какую-либо структуру, которая могла бы быть частью магнитосенсорной системы. [c.334]

Попытки выяснить локализацию магниторецептора у грызунов включали поиск отложений магнетита в тканях, а также выявление структур ЦНС, которые могут участвовать в восприятии и/или передаче магнитных сигналов. Магнитометрическими методами был обнаружен повышенный уровень IRM в переднедорсальной области головы. Дальнейшее изучение этой области свидетельствует о наличии материала с коэрцитивными свойствами, характерными для однодоменного магнетита и указывающими на значительное взаимодействие между кристаллами. Гистологическим методом выявлены широко распространенные отложения окисного железа в голове и других частях тела. К настоящему времени идентифицированы три группы железосодержащего материала подповерхностный слой, имеющийся в большинстве костей, небольшие отдельные скопления, разбросанные в некоторых участках костного мозга, и плотный материал в корнях зубов. При просвечивающей электронной микроскопии обнаружено, что в рако- [c.336]

В настоящем обзоре рассмотрены прежде всего данные о магниторецепции у человека, а также о возможной связи этого явления с магниторецепторами, действие которых основано на использовании биогенных магнитных материалов. При этом обзор начинается с краткой сводки данных по другим физиологическим реакциям приматов на изменения магнитного поля. Что касается животных, то здесь выявляется следующий факт по-видимому, отложения биогенного магнетита распространены в организме игаре, чем это необходимо для обеспечения одной лищь магниторецепции. Не исключено, что многие отложения такого рода участвуют в менее специфических реакциях. [c.343]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология