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

Первый резидент Кима Филби Первый резидент Кима Филби

Человек по имени Хиель Рейф сыграл немалую роль в истории разведки

Дилетант
Звезды манящие Звезды манящие

Ослепительная вспышка, которой уже некого слепить, миг неуловимый

Знание – сила
Бессвязные дороги Бессвязные дороги

Как обеспечить автодороги сотовой связью без переплат

Ведомости
Татьяна Геворкян: «С годами на лице проявляются все эмоции, которые мы проживали» Татьяна Геворкян: «С годами на лице проявляются все эмоции, которые мы проживали»

Телеведущая Татьяна Геворкян о том, как выглядеть стильно без больших затрат

Здоровье
Новый поход ветеранов Троянской войны Новый поход ветеранов Троянской войны

Филистимляне и троянцы против египетских фараонов

Знание – сила
Кто такие «бежевые» мамы и чем опасен новый тренд? Кто такие «бежевые» мамы и чем опасен новый тренд?

Почему «бежевое материнство» стало популярным и в чем его опасность для ребенка?

VOICE
Петербург будущего Петербург будущего

Экскурсия по Северной столице от Льва Лурье и новое поколение гидов-урбанистов

Собака.ru
Цифровой сценарист: как ИИ создает иллюзию свободы выбора Цифровой сценарист: как ИИ создает иллюзию свободы выбора

Как научиться распознавать технологические манипуляции

Forbes
У себя дома У себя дома

Современный европейский интерьер с арт-объектами

SALON-Interior
Инвесторы ловят дно Инвесторы ловят дно

Инвесторы ищут возможность заработать на падающем рынке

Ведомости
Ученые говорят, что наши мышцы стареют не так быстро, как нам кажется Ученые говорят, что наши мышцы стареют не так быстро, как нам кажется

У пожилых людей мышечные повреждения после спортивных нагрузок не так серьезны

ТехИнсайдер
Распоследний магнат Распоследний магнат

«Киностудия» — самопародия голливудских остряков на киноиндустрию

Weekend
Сила притяжения нарастает Сила притяжения нарастает

Мировой ответ Китаю в сфере редкоземельных металлов — создание альянсов

Монокль
Две недели в середине лета: история о любви, абьюзе и смерти Две недели в середине лета: история о любви, абьюзе и смерти

Трогательный рассказ о насилии и любви, жизни и смерти

Psychologies
Видимо-невидимо Видимо-невидимо

Какие из «нельзя» о родинках правда, а какие — домыслы?

Новый очаг
Мечта Тони Старка Мечта Тони Старка

Wey 07 — кроссовер для гения, миллиардера, плейбоя и филантропа

RR Люкс.Личности.Бизнес.
Отчего болит спина Отчего болит спина

Неочевидные и скрытые причины боли в спине

Лиза
Страдающее Средневековье: 5 книг, которые помогут в изучении истории Страдающее Средневековье: 5 книг, которые помогут в изучении истории

Книги для тех, кто хочет погрузиться в изучение мировой истории

СНОБ
Программа «12 шагов»: как она работает и кому может помочь Программа «12 шагов»: как она работает и кому может помочь

Как программа «12 шагов» помогает избавиться от зависимости?

Psychologies
Шеф — поставщик: здесь и сейчас Шеф — поставщик: здесь и сейчас

Как в разных регионах находят необычные продукты и превращают в уникальные блюда

Bones
Закадрович и не только Закадрович и не только

Самые необычные прозвища советских актеров

Лиза
Курс на технологическую независимость Курс на технологическую независимость

В этом году стартовал новый нацпроект в АПК

Агроинвестор
ИИ предсказывает столкновения нейтронных звезд ИИ предсказывает столкновения нейтронных звезд

Команда астрономов обучила нейросеть предсказывать столкновение нейтронных звезд

ТехИнсайдер
Подробно про ЭКО Подробно про ЭКО

Давайте разберемся, где правда, а где – вымысел, когда дело касается ЭКО

Добрые советы
В Германии о Германии без Германии В Германии о Германии без Германии

Главное место в работе Потсдамской конференции занял германский вопрос

Дилетант
«Падучая» под контролем «Падучая» под контролем

Что такое эпилепсия и какие подходы к ее лечению предлагает современная наука?

Знание – сила
Сергей Курехин Сергей Курехин

Правила жизни музыканта, актера и сценариста Сергея Курехина

Правила жизни
Доктор Доктор

Фантастический рассказ Александра Маркова «Доктор»

Знание – сила
Выхожу из стресса Выхожу из стресса

Как повысить стрессоустойчивость: 8 работающих лайфхаков

Лиза
Ударные АПЛ европейских стран НАТО Ударные АПЛ европейских стран НАТО

Лодки класса «Трафальгар» проектировались для противостояния советским подлодкам

Наука и техника
Открыть в приложении