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
Искусство кино Искусство кино

О представительницах мира кино, без которых кинематограф был бы совсем другим

Grazia
«Чистейший образец» «Чистейший образец»

Составить цельный образ Натальи Николаевны Гончаровой — сложная задача

Дилетант
Деликатная классика Деликатная классика

Сдержанный и интеллигентный интерьер в духе петербургской классики

SALON-Interior
Вон из России! Вон из России!

Осенью 1922-го от причалов отходили не только корабли с белогвардейцами

Дилетант
Реклама для женщин: как фемвертайзинг ломает стереотипы и увеличивает прибыль брендов Реклама для женщин: как фемвертайзинг ломает стереотипы и увеличивает прибыль брендов

Почему фемвертайзинг становится трендом

Forbes
Бренд народного происхождения Бренд народного происхождения

Как в России развиваются художественные промыслы

Эксперт
Исследование показало, сколько раз нужно заниматься сексом, чтобы снизить риск депрессии Исследование показало, сколько раз нужно заниматься сексом, чтобы снизить риск депрессии

Секс один-два раза в неделю может принести наибольшую психологическую пользу

Inc.
И хочется, и колется И хочется, и колется

Совпадает ли наше мнение о косметологии с реальностью? Развеиваем мифы

Grazia
Что такое «перезагрузка» и зачем она нужна Что такое «перезагрузка» и зачем она нужна

Как компьютерный термин проник в велнес-индустрию и в чем его нюансы

РБК
Снаряды против пушек Снаряды против пушек

Даже в первый год Великой Отечественной войны в СССР проходили соревнования

Ведомости
Впали в детство: почему рабочие взаимоотношения превращаются в семейную драму Впали в детство: почему рабочие взаимоотношения превращаются в семейную драму

Как избежать «семейных» конфликтов на работе

Forbes
День любви День любви

Реальная история святого Валентина, не имевшая отношения к романтике

Дилетант
Заемщики поубавили аппетит Заемщики поубавили аппетит

Почему у граждан снижаются запросы на размер кредитов наличными?

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

Нуждаются ли компании отрасли удобрений в дополнительной поддержке?

Forbes
Нулевая ответственность: что делать, если вашим коллегам и подчиненным «все равно» Нулевая ответственность: что делать, если вашим коллегам и подчиненным «все равно»

Какие причины кроются за безответственностью на рабочем месте?

Forbes
Жуткая история Крис Кремерс и Лизанны Фрун, которые исчезли во время похода в Панаме Жуткая история Крис Кремерс и Лизанны Фрун, которые исчезли во время похода в Панаме

Жуткая история туристок, от которых остались только кости

ТехИнсайдер
К чему приведет отмена лимитов по IT-ипотеке К чему приведет отмена лимитов по IT-ипотеке

Банки положительно оценивают отмену лимитов по IT-ипотеке

Ведомости
«Книга Страшного суда» «Книга Страшного суда»

«Книга Страшного суда» — итог первой всеобщей переписи земель в Европе

Дилетант
Как понять, хорошо ли работает ваш директор по развитию Как понять, хорошо ли работает ваш директор по развитию

Какие KPI нужно измерять у директора по развитию, чтобы бизнес развивался

Inc.
Вклад в людей и технологии Вклад в людей и технологии

Москва поддерживает бизнес, выделяя гранты на развитие экспортной деятельности

Ведомости
Распоследний магнат Распоследний магнат

«Киностудия» — самопародия голливудских остряков на киноиндустрию

Weekend
3D-печать домов, роботы-диагносты, космические двигатели и сверхпрочные ткани: как российские стартапы создают будущее 3D-печать домов, роботы-диагносты, космические двигатели и сверхпрочные ткани: как российские стартапы создают будущее

Подборка историй людей, которые двигают прогресс

ТехИнсайдер
Если бабушка балует ребенка Если бабушка балует ребенка

Как тактично склонить старшее поколение на свою линию воспитания

Лиза
Ловушки для трендов: как вовремя услышать сигналы рынка Ловушки для трендов: как вовремя услышать сигналы рынка

Как бизнесменам научиться самим улавливать тренд-сигналы

Forbes
Настоящие произведения искусства: топ-5 самых красивых паспортов в мире Настоящие произведения искусства: топ-5 самых красивых паспортов в мире

Развороты некоторых паспортов можно смело вывешивать в галереях. Посмотрите!

ТехИнсайдер
Не Казань и даже не Сочи: 10 мест в России, куда мечтают поехать в отпуск россияне Не Казань и даже не Сочи: 10 мест в России, куда мечтают поехать в отпуск россияне

Лето не за горами: пора определяться с локацией для нового путешествия

Maxim
Колоссального кальмара впервые сняли на видео в естественной среде обитания Колоссального кальмара впервые сняли на видео в естественной среде обитания

Как удалось запечатлеть колоссального кальмара в родных для него глубинах океана

N+1
Продлили срок: что можно сделать из бывших тюрем Продлили срок: что можно сделать из бывших тюрем

Как бизнесмены и государство развивают бывшие тюрьмы

Forbes
Дуэты на тарелке Дуэты на тарелке

Эти сочетания продуктов принесут двойную пользу вашему организму

Лиза
Открыть в приложении