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
Самые научно точные фильмы про космос Самые научно точные фильмы про космос

Существуют ли достоверные художественные фильмы про космос?

Maxim
Легендарный Понтий Пилат Легендарный Понтий Пилат

Так кто же он был, этот римлянин, взявшийся судить Иисуса?

Знание – сила
Топ-5 самых странных игровых консолей в истории — от 1970-х до 2020-х Топ-5 самых странных игровых консолей в истории — от 1970-х до 2020-х

Самые необычные игровые консоли

CHIP
Иосиф Бродский Иосиф Бродский

Бродский — поэт ресентимента

Дилетант
Ученые из Сколковского института раскрыли механизм выброса солнечного ветра из корональных дыр Ученые из Сколковского института раскрыли механизм выброса солнечного ветра из корональных дыр

Как корональные дыры формируют движение солнечного ветра по всей гелиосфере

Inc.
«Я долгое время не могла отцепить от себя эту героиню» «Я долгое время не могла отцепить от себя эту героиню»

Аня Пересильд — как сложилась ее жизнь после «Слова пацана»

OK!
Полина Бондарева Полина Бондарева

Полина Бондарева о том, как прописать в квартире искусство и инсталляции

Собака.ru
Мосты в голове Мосты в голове

Что такое ассоциации, как возникают, можно ли их поменять?

Grazia
Невролог назвал 3 ошибки, которые люди совершают в молодости. Их можно исправить прямо сейчас Невролог назвал 3 ошибки, которые люди совершают в молодости. Их можно исправить прямо сейчас

Три вещи, которых можно избежать в молодости

Inc.
«Сейчас период повышения внутренней эффективности» «Сейчас период повышения внутренней эффективности»

Дмитрий Фосман — о перспективах развития экспорта и работе по привлечению кадров

Агроинвестор
Range Rover Classic от Vinile – рестомод, сделанный «по фану» Range Rover Classic от Vinile – рестомод, сделанный «по фану»

Vinile «переосмысляет» подход к восстановлению классических внедорожников

4x4 Club
Делать игры — это профессия: разработчик отвечает на (не)глупые вопросы Делать игры — это профессия: разработчик отвечает на (не)глупые вопросы

Правда, что в России не делают хороших игр? Как стать игровым разработчиком?

ТехИнсайдер
Заемщики поубавили аппетит Заемщики поубавили аппетит

Почему у граждан снижаются запросы на размер кредитов наличными?

Ведомости
Авианосцы ВМС Индии XXI века Авианосцы ВМС Индии XXI века

История постройки авианосца «Викрант»

Наука и техника
6 самых популярных сюжетов снов 6 самых популярных сюжетов снов

Какие сюжеты снов чаще всего снятся людям?

ТехИнсайдер
Довести промышленность до автоматизма Довести промышленность до автоматизма

Каким образом будет формироваться внутренний спрос на роботизацию в России

Монокль
Терапия CRISPR/Cas помогла снизить «плохой» холестерин при семейной гиперхолестеринемии Терапия CRISPR/Cas помогла снизить «плохой» холестерин при семейной гиперхолестеринемии

Как помогла терапия CRISPR/Cas при семейной гиперхолестеринемии

N+1
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
Бодрость и предубеждение Бодрость и предубеждение

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

VOICE
Осень картеля Осень картеля

Почему ОПЕК+ решил ускорить восстановительный рост нефтедобычи

Монокль
Дочери феи и дракона: как сестры Чынг собрали армию и освободили Древний Вьетнам Дочери феи и дракона: как сестры Чынг собрали армию и освободили Древний Вьетнам

Как сестры Чынг освободили Вьетнам из-под гнета Китая?

Forbes
Девелоперы придерживают дома Девелоперы придерживают дома

Почему девелоперы затягивают сроки сдачи многоквартирного жилья

Ведомости
За 10 лет арктические дафнии не смогли приспособиться к потеплению За 10 лет арктические дафнии не смогли приспособиться к потеплению

Почему особи бесполых дафний плохо переносят потепление

N+1
Миниатюрный орнитоптер стал одноногим прыгуном Миниатюрный орнитоптер стал одноногим прыгуном

Как инженеры создали робота-прыгуна массой меньше грамма

N+1
На высшей точке На высшей точке

В чем причины холодности женщины и как сделать наслаждение ярким

Лиза
Вино, недвижимость… Дальше ставки на спорт? Вино, недвижимость… Дальше ставки на спорт?

Как ЦФА пытаются оправдать свой статус нового слова в финансах

Монокль
Щедры на дивиденды Щедры на дивиденды

Какие компании в этом году поделятся прибылью с акционерами

Деньги
Губернатор Московской области Андрей Воробьев: Нас часто сравнивают с нашей столицей Губернатор Московской области Андрей Воробьев: Нас часто сравнивают с нашей столицей

Глава Подмосковья об управлении регионом с помощью цифры и конкуренции с Москвой

Ведомости
Бренд народного происхождения Бренд народного происхождения

Как в России развиваются художественные промыслы

Эксперт
Открыть в приложении