Jak zwierzęta czytają pole magnetyczne Ziemi do orientacji się

Kompas zbudowany z biologii

Każdą latem sęp arktyczny lata z pól Północy do pól Południa, kura morska powraca na plażę, gdzie się urodziła, a ryba szklinak znajduje swoje oryginalne źródło. Wszystkie te zwierzęta nie noszą GPS-a. Co one mają wspólnego to senso magnetorecepcyjny — zdolność do wykrywania pola magnetycznego Ziemi i korzystania z niego jako kompasu i mapy.

Pole magnetyczne Ziemi to więcej niż tylko kierunek. Na każdym punkcie globu ma intensywność (około 25-65 mikrotesla, najmniejsza blisko równika, największa blisko pól) oraz nachylenie — kąt, pod jakim linie pola magnetycznego wchodzą do ziemi, od poziomego blisko równiku do pionowego blisko pól. Dostosowując się zarówno do intensywności, jak i nachylenia, zwierzęta mogą odczytywać spowolnione siatki na powierzchni Ziemi, a te zdolne do tego mają prawie dwu-wymiarowy punkt pozycji.

Dwa kandydaty mekanizmy

Biologowie zgodnie zgadzają się na dwa nieexkluzywne wyjaśnienia. Pierwsze to detekcja oparta na magnesitach: łańcuchy minerali magnetycznych (okolo krystalów nanometrycznych magnesitu, Fe₃O₄) wcielone w specjalizowane komórki, które są przypuszczalnie umieszczone w dziobie lub tkwinach nosowych ptaków oraz blisko linii lateronowej ryb, mechanicznie się obracają pod wpływem pola magnetycznego i otwierają ionowe kanały czułe na rozciąganie — to prawie biologiczny kompas z klipą i obrotem, który przekazuje intensywność i polarność pola.

Drugi mechanizm to detekcja par radikalowych, oparta na efektach kwantowych w oczu. Czerwonozielony światło uderzające na proteinę criptokromin w retina przeprowadza elektron z jednego molekułu do sąsiedniego partnera, tworząc parę radikalów, których nieparowe spiny elektronowe są korelowane. Słabośc pola magnetycznego Ziemi podziała na szybkość przekształcania się tego związanego pary między dwoma stanami kwantowymi (singlet i triplet), a stosunek tych stanów zmienia wydajność sygnału chemicznego dalszego. Ponieważ efekt zależy od kąta pola magnetycznego względem molekuły, a nie jego siły, ten mechanizm jest przypuszczalnie myślimy jako dodatkowy warstwy widzenia — czasami opisany jako widzenie słabej wzory światła i cienia na polu widzenia, które się przemieszcza w zależności od orientacji, zamiast skierowanego kompasu, który świadomi czytają.

radical pair, simplified:
  cryptochrome + light -> [donor•  acceptor•]  (correlated spins, singlet state)
  spin state oscillates: singlet <-> triplet, rate set by local B-field angle
  triplet yield -> signalling cascade -> perceived brightness/contrast bias

Składnik mapowy: przycięcie magnetyczne

Kompas sam w sobie daje tylko kierunek, a nie pozycję — potrzebujesz także mapy. Słońce morskie rozwiązuje to poprzez przycięcie magnetyczne: młode słońca wydzielające się z plaży zapamiętują lokalną intensywność i kąt nachylenia jako rodzaj magnetycznego adresu, a następnie jako dorosłe zwierzęta używają odchyleń w wyniku całe życie przemieszczania się po otwartych morzach do poprawienia kursu, wracając do obszaru zasięgu kilkudziesięciokilometrowego w stosunku do miejsca, gdzie wydzielili — odkrycie potwierdzone eksperymentami przesuniętymi, w których słońce umieszczane w spętałach, które powtarzały charakterystykę odległego miejsca, orientowały się tak, jakby już tam były. Słonie są podejrzewani o podobne zachowanie, przyciągając się do magnetycznego znacznika ich rzeki narodzin przed migracją na otwarte morze i używają go, wraz z podpowiedziami olfaktywnymi przybrzeżnymi, aby znaleźć drogę powrotu po latach.

Dlaczego to jest trudne do badania

Magnetorecepcja od lat odpiera jednoznaczny i generalnie przyjęty mechanizm komórkowy, głównie ze względu na fakt, że putatywne odbiorcze cząsteczki są doskonale czucie i łatwo podlegają wpływowi nawet najlżejszej próby ich wykrycia — rozszczepianie tkaniny zawierającej magnesit może zniszczyć delikatne położenie badacze starają się pomiaru, a chemiczna struktura cząsteczek kryptokromowych tylko działa w całości żywej tkance pod określonymi warunkami światła. Robinki testowane w laboratorium stracają swoją magnetyczną orientację pod wpływem sygnału elektromagnetycznego o częstotliwości radiofonicznej znacznie słabszego niż sygnał telefonu komórkowego, co jest zgodne z faktem, że efekt koherencji kwantowej może być zakłócony, a to jest jednym z bardziej wyróżniających się dowodów niewprost na hipotezę cząsteczek radikalnych.

Co symulacja pokazuje

Ta symulacja przedstawia pole magnetyczne Ziemi jako serię linii pola skierowanych od póludniowego magnetycznego do północnego magnetycznego, a następnie pozwala umieszczać zwierzęta migrujące na różnych szerokościach geograficznych, aby zobaczyć, jak się zmienia nachylenie — kąt niszczycy. Ten pojedynczy kąt, czytany kontynuowany wzdłuż trasy migracji, wystarcza sam w sobie do utrzymania ptaka, gęsi, lub ryby poruszających się w jednym zgodnym kierunku kompasowym przez tysiące kilometrów bezkresnego oceanu lub otwartego nieba.

Często zadawane pytania

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Magnetic Navigation i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.