Как изучают незаметные для органов чувств магнитные эффекты

Наука и жизньНаука

Жизнь в магнитном поле

Вячеслав Владимирович Крылов показывает систему из трёх пар колец Гельмгольца, используемую для создания экспериментальных магнитных полей. Фото Андрея Афанасьева

Все живые существа, от бактерий до человека, живут в магнитном поле Земли. Оно неоднородно: его характеристики меняются в зависимости от географического положения, на него действуют потоки солнечного ветра, порождая магнитные бури. Некоторые организмы научились чувствовать геомагнитное поле, используя его как карту местности. Но изменения в магнитном поле могут действовать незаметно для органов чувств. Именно такие незаметные, но важные магнитные эффекты изучают в лаборатории популяционной биологии и генетики Института биологии внутренних вод им. И. Д. Папанина РА Н.

Рассказывает заведующий лабораторией, доктор биологических наук Вячеслав Крылов.

Беседу ведёт Наталия Лескова.

— Вячеслав Владимирович, на каких живых организмах вы исследуете влияние магнитного поля? Кто ваш объект?

— Объекты самые разнообразные. В основном фокус делается на действующий фактор. А объект — это инструмент для изучения того, как фактор влияет на живые системы в общебиологическом понимании. Наши классические объекты — разные гидробионты: дафнии, рыба полосатый данио (или, как его ещё называют калькой с английского, зебрафиш). Из местного «колорита» — плотва, удобный объект для изучения биологии раннего развития среди речных рыб. Но у нас были также эксперименты с растениями, не связанными с водной средой: с горохом, проростками льна, с пшеницей.

— Как вы проводите эксперименты?

— У нас несколько систем магнитогенерации, системы магнитоизмерений, разнообразные магнитометры. В системе генерации мы создаём либо постоянные магнитные поля, больше или меньше геомагнитного поля, либо переменные. Очень хорошо работают гипомагнитные условия, когда геомагнитное поле снижается до минимальных значений. Или же генератор выдаёт периодически изменяющийся сигнал, который поступает на обмотку в виде двух параллельных колец (кольца Гельмгольца) и порождает переменные магнитные поля.

Надо сказать, сама по себе проблематика влияния слабых полей на биологические системы невероятно интересна. Магнитные поля должны влиять на движущиеся заряды и на частицы, обладающие магнитным моментом. В биологической системе эффекты вызывают такие магнитные поля, которые обладают очень небольшой интенсивностью. И энергии этих полей по физическим принципам недостаточно, чтобы заставить частицы с магнитным моментом преодолеть тепловой шум. В привычном понимании, чтобы что-то произошло в системе, в биохимической или на более высоких уровнях организации, мы должны дать энергию, которая будет выше этого теплового шума, чтобы элементарная реакция совершилась. Но тут действуют поля с энергией на несколько порядков ниже. До сих пор никто точно не знает, как именно они действуют. Гипотез предложено уйма. Биологические системы сложно организованы и упорядочены, что даёт простор для построения разных биофизических моделей.

— А какое объяснение вам самому кажется наиболее убедительным?

— Вероятнее всего, биологические эффекты слабых магнитных полей связаны с радикальными пáрами. Здесь в самой проблематике выделяется два вида эффектов: эффекты, связанные с ориентацией животных по геомагнитному полю, и эффекты, с этим не связанные. В первом случае всё выходит на центральную нервную систему. Здесь должен быть какой-то сенсор, который воспринимает магнитное поле, передаёт информацию в мозг животному, ориентирующемуся по геомагнитному полю. Животное должно её как-то проанализировать, понять, что происходит, выбрать направление. Это целый пласт работ, в которых достигнут значительный прогресс.

А другой пласт — работы, не связанные с сенсорным восприятием: исследование реакций биологических систем на разных уровнях, начиная от клеточного и заканчивая популяционным, в ответ на разные магнитные воздействия. Например, изменилась частота сердцебиения, активность какого-то фермента. Это можно сравнить с действием температуры. Мы ощущаем её рецепторными клетками и понимаем, холодно или тепло. Но когда температура влияет на какую-то биохимическую реакцию в организме, скорость реакции изменяется, однако на уровне чувственного восприятия мы этого не ощущаем.

И с сенсорными вещами всё очень интересно. Здесь, можно сказать, произошла эволюционная конвергенция функций. Мы знаем примеры конвергентной эволюции, когда, выполняя одни и те же функции, разные органы, происходящие из разных зачатков, становятся похожими. А здесь для выполнения одной и той же функции разные системы восприятия, развившиеся на разных участках нервной системы, становятся магниторецепторными, начинают воспринимать магнитные изменения.

— Что это значит?

— Есть несколько типов магнитовосприятия, не связанных друг с другом, и все они обнаружены у животных. Первый — на основе магнетита — частиц, обладающих магнитным моментом. Такие частицы были найдены у рыб в клетках рядом с обонятельной капсулой, в усиках-антеннах у муравьёв. Все кристаллики выстраиваются в длинные цепочки, и у них суммарный магнитный момент складывается. Получается такое подобие стрелки компаса. Почему стрелка в компасе чувствует слабое магнитное поле Земли? Потому что она большая по размерам и намагниченная в одном направлении. И получается, что у цепочек магнетита суммарный магнитный момент увеличен, и он способен взаимодействовать с очень слабыми полями.

Исследований этого магнитного чувства выполнено много. Электрофизиологические эксперименты показали, что при изменении магнитных полей возникает ответ на уровне мембранных потенциалов нейронов. Есть работы, посвящённые условной рефлекторной деятельности у животных, где в качестве стимула использовали магнитное поле.

Предположительный механизм восприятия магнитного поля у птиц. Белок криптохром в глазной сетчатке поглощает синий свет с образованием радикальной пары при переносе электронов между ФАД и остатками аминокислоты триптофана. Доля криптохромов с радикальными парами, пребывающими в синглетном или триплетном состоянии, зависит от наклонения магнитного поля. Рисунок (с изменениями): Chiswick Chap/Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

— Но кристаллы магнетита — это не единственный вид магнитных рецепторов?

— Не единственный. Второй тип развит только у животных, обитающих в воде, и он связан с электрорецепцией. У акул и скатов имеются электрорецепторы — ампулы Лоренцини, которые используются для охоты. В чём специфика электрических полей? Вспомним школьную физику, уравнения Максвелла. При изменении электрического поля порождается магнитное поле и наоборот. Когда акулы и скаты движутся в магнитном поле Земли, причём движутся в солёной воде, которая является источником положительно и отрицательно заряженных ионов, возникает слабое электрическое поле, и оно пропорционально силе геомагнитного поля. Соответственно, соотнося изменение скорости движения с разностью потенциалов, формирующейся на ампулах Лоренцини, рыба понимает, какое магнитное поле сейчас присутствует. Здесь тоже есть много доказательств: их дают и электрофизиология, и поведение, и условные рефлексы; полностью известна анатомия рецепторов.

— А как ощущают магнитное поле птицы?

— Это третий тип магниторецепции, связанный с так называемым химическим компасом. Самая загадочная вещь. Здесь в дело вступает радикально-парная или би-радикальная химия. Суть в том, что преодоление барьера теплового шума, о котором мы говорили ранее, идёт на субмолекулярном уровне. Тепловое хаотическое движение — это движение молекул и атомов. В химическом магнитном компасе всё происходит на уровне спина электрона, на который тепловой шум влияния не оказывает. Представим, что рвётся ковалентная химическая связь. Расходятся два радикала. В очень вязкой биологической среде существует такой момент времени, когда они ещё не разорвались и пока сохраняют подобие связи. Вот это состояние называется радикальной парой. Мы знаем, что спины электронов, образующих химическую связь, могут быть только антипараллельными, у них должны быть различающиеся спины. Также электроны обладают магнитным моментом. Итак, в момент, когда они расходятся, когда возникает радикально-парное состояние, магнитное поле влияет на их спины. В этот момент слабые магнитные поля могут изменить спины этих двух электронов таким образом, что они станут одинаковыми, параллельными, потому что в состоянии радикальной пары они больше не принад-лежат одной связи.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Рим и германцы Рим и германцы

Встреча с варварами потрясла Рим, заставив изменить организацию римской армии

Дилетант
Гладкая мускулатура самолета – электродвигатели Гладкая мускулатура самолета – электродвигатели

Как выглядят авиационные электродвигатели, где установлены и как управляются?

Наука и техника
Новая физика рождается под землёй Новая физика рождается под землёй

Приключение за неуловимой нейтрино в недра Баксанской нейтринной обсерватории

Наука и жизнь
Роковая любовь в «эпоху джаза»: что вдохновило Фрэнсиса Скотта Фицджеральда на создание «Великого Гэтсби» Роковая любовь в «эпоху джаза»: что вдохновило Фрэнсиса Скотта Фицджеральда на создание «Великого Гэтсби»

Почему «Великого Гэтсби» можно считать пророчеством для американской мечты?

Правила жизни
Весна длиною в полгода Весна длиною в полгода

Воспоминания, как август 1968-го окончательно положил конец «оттепели»

Дилетант
Космический буксир: мирный атом или ненаучная фантастика? Космический буксир: мирный атом или ненаучная фантастика?

Чем интересна перспектива использования ядерного двигателя в космосе?

Наука и техника
Мужчина мечты Мужчина мечты

Хочет ли Ярослав Могильников остаться в кино и как проходят его первые свидания

VOICE
А как у них? А как у них?

6 рецептов пасхальных куличей из разных стран

Лиза
Хватит играть в GTA: топ-5 крутых игр с открытым миром на ПК Хватит играть в GTA: топ-5 крутых игр с открытым миром на ПК

Каким играм с открытым миром стоит уделить время?

Maxim
«Спонсоров важно вовлекать в процесс» «Спонсоров важно вовлекать в процесс»

Татьяна Кочарян о спонсорских доходах и работе со зрителями баскетбола

Ведомости
Простой способ повысить психологическую устойчивость и настроиться на позитив Простой способ повысить психологическую устойчивость и настроиться на позитив

Одно упражнение для поддержания психологической устойчивости

Inc.
Бодрость и предубеждение Бодрость и предубеждение

Может ли здоровый образ жизни принести вред вместо пользы? К сожалению, да

VOICE
Пример для подражания: Ирина Годунова Пример для подражания: Ирина Годунова

Ирина Годунова о детском интересе к программированию и верности своему пути

VOICE
Оборона в глубоком тылу Оборона в глубоком тылу

Какие экономические решения сделали СССР страной-победителем

Эксперт
Древние города Древние города

Что посмотреть в поселениях России, которым более тысячи лет

Лиза
Наука в фантастике: эпизоды истории Наука в фантастике: эпизоды истории

Одной из тем обсуждения в научной фантастике ХХ века была космическая экспансия

Наука и жизнь
Зал ожиданий Зал ожиданий

Для психического здоровья фитнес даже полезнее, чем для физического

VOICE
Что такое биполярное аффективное расстройство и как живут люди с таким диагнозом Что такое биполярное аффективное расстройство и как живут люди с таким диагнозом

Что такое БАР, действительно ли он распространен или стал искусственным трендом?

Forbes
Если все тряпки закончились: 5 предметов домашнего обихода, которыми можно вытирать пыль Если все тряпки закончились: 5 предметов домашнего обихода, которыми можно вытирать пыль

Чем, кроме тряпки, можно эффективно удалить пыль с любой поверхности

ТехИнсайдер
Минеральные льготы: как работает господдержка производителей удобрений Минеральные льготы: как работает господдержка производителей удобрений

Нуждаются ли компании отрасли удобрений в дополнительной поддержке?

Forbes
Вступление в брак может повысить риск деменции: шокирующие выводы ученых Вступление в брак может повысить риск деменции: шокирующие выводы ученых

Как счастливая семейная жизнь может быть связана с когнитивными способностями?

ТехИнсайдер
Мир, дружба, Мир, дружба,

Актеры Кирилл Кяро и Даниил Страхов — о дружбе, работе и “Гипнозисеˮ

Men Today
«Издательский проект Петра Первого: Илья Копиевский и новые русские книги» «Издательский проект Петра Первого: Илья Копиевский и новые русские книги»

Как был устроен перенос научно-технических знаний на русский язык

N+1
Смена сторон Смена сторон

Почему теннисисты меняют спортивное гражданство и выступают за другие страны

Ведомости
Личное пространство Личное пространство

Респектабельный минимализм с авторскими решениями и иконами дизайна

SALON-Interior
Искоренить фальсификат Искоренить фальсификат

Методики проверки, испытаний, идентификации продукции нужно совершенствовать

Агроинвестор
Жить вместе, но порознь: почему пары не разводятся официально? Жить вместе, но порознь: почему пары не разводятся официально?

Какие причины заставляют людей сохранять брак на бумаге, но жить отдельно?

VOICE
10 вещей, которые нельзя стирать вместе, если ты не хочешь, чтобы они износились раньше времени 10 вещей, которые нельзя стирать вместе, если ты не хочешь, чтобы они износились раньше времени

Какие вещи никогда не следует совмещать в стиральной машине?

VOICE
Даниил Воробьев: «Урок» – это большой разговор с матерью через экран» Даниил Воробьев: «Урок» – это большой разговор с матерью через экран»

Даниил Воробьев о том, как «выгуливает» своих героев вне съемочной площадки

Ведомости
W с книгой W с книгой

Книги о творческих лабораториях театра, полицейских батальонах и кинопрозе

Weekend
Открыть в приложении