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
3 сильные стороны интровертов, которые помогут им стать успешными 3 сильные стороны интровертов, которые помогут им стать успешными

Интроверты наделены множеством суперспособностей — нужно просто знать их

Inc.
Меню последнего обеда Меню последнего обеда

Вечер 3 марта 1917 года в царском поезде…

Дилетант
В Госдуму внесли законопроект о запрете выгула опасных собак пьяными людьми и детьми В Госдуму внесли законопроект о запрете выгула опасных собак пьяными людьми и детьми

Госдума хочет внести изменения в нормы об ответственном обращении с животными

Forbes
Герберт Уэллс Герберт Уэллс

Уэллс всю жизнь пытался понять главные алгоритмы человеческой психологии

Дилетант
6 причин, по которым простыни становятся серыми, и способы это исправить 6 причин, по которым простыни становятся серыми, и способы это исправить

Как предотвратить изменение цвета простыней

VOICE
Владимир Груздев: Предприниматель — профессия повышенного риска Владимир Груздев: Предприниматель — профессия повышенного риска

Предприниматель Владимир Груздев — о правах, правосудии и вызовах цифровой эпохи

Ведомости
Мастер игры. Андрей Аствацатуров — о слове и деле Набокова Мастер игры. Андрей Аствацатуров — о слове и деле Набокова

Владимир Набоков понимал все проблемы, стоящие перед литературой ХХ века

РБК
Городские острова тепла вдвое снизили смертность людей из-за холода Городские острова тепла вдвое снизили смертность людей из-за холода

Городской остров тепла снижает смертность населения от холода на 51,5 процента

N+1
Гости из настоящего и будущего Гости из настоящего и будущего

Столичная туриндустрия укрепляет свои позиции как драйвера развития Москвы

Ведомости
В погоне за качеством В погоне за качеством

КУ российских компаний перестали быть просто центрами переподготовки

Ведомости
Смена сторон Смена сторон

Почему теннисисты меняют спортивное гражданство и выступают за другие страны

Ведомости
Жертвы Кургана: подвиги и самоотдача города трудовой доблести Жертвы Кургана: подвиги и самоотдача города трудовой доблести

Линия фронта проходит возле твоего станка — таким был лозунг курганских рабочих

ФедералПресс
Оборона в глубоком тылу Оборона в глубоком тылу

Какие экономические решения сделали СССР страной-победителем

Эксперт
Рукопожатие крепкое Рукопожатие крепкое

Как развивается рынок высокотехнологичных протезов

Эксперт
Осень картеля Осень картеля

Почему ОПЕК+ решил ускорить восстановительный рост нефтедобычи

Монокль
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
Олег Липовецкий: Режиссер – это бог в пределах своих компетенций Олег Липовецкий: Режиссер – это бог в пределах своих компетенций

Олег Липовецкий рассказал, как руководящая должность сделала его мизантропом

Ведомости
На борту затонувшего средневекового китайского судна нашли сосуды из-под алкогольных напитков На борту затонувшего средневекового китайского судна нашли сосуды из-под алкогольных напитков

Находки, собранные во время раскопок средневекового судна «Наньхай №1»

N+1
От проверки юрлица до отзывов: 13 шагов для выбора программы допобразования От проверки юрлица до отзывов: 13 шагов для выбора программы допобразования

О том, как избежать образовательных продуктов, которые не несут ценности

Forbes
6 самых популярных сюжетов снов 6 самых популярных сюжетов снов

Какие сюжеты снов чаще всего снятся людям?

ТехИнсайдер
Коллекция суеверий Коллекция суеверий

Угличский музей мистики Дарьи Чужой переосмысляет фольклор

Отдых в России
«Пройти процесс самопознания»: как через смыслы найти свою мотивацию в бизнесе «Пройти процесс самопознания»: как через смыслы найти свою мотивацию в бизнесе

Как найти мотивацию и смысл в своей деятельности

Forbes
Нерабочий парашют и утечка ядовитого газа: 5 страшных космических катастроф Нерабочий парашют и утечка ядовитого газа: 5 страшных космических катастроф

5 крупных катастроф, когда-либо происходивших в космосе

ТехИнсайдер
Найденная рыбаками на дне Тайваньского пролива древняя челюсть принадлежала денисовцу Найденная рыбаками на дне Тайваньского пролива древняя челюсть принадлежала денисовцу

Кусок нижней челюсти архаичного человека Penghu-1 принадлежал денисовцу

N+1
Коллеги, не ссорьтесь! Коллеги, не ссорьтесь!

Какие могут быть эффективные способы разрешения у разных рабочих конфликтов?

Лиза
Снаряды против пушек Снаряды против пушек

Даже в первый год Великой Отечественной войны в СССР проходили соревнования

Ведомости
Кругосветка за 72 дня и критика тюремной системы: о чем писали первые журналистки Кругосветка за 72 дня и критика тюремной системы: о чем писали первые журналистки

Шесть женщин, изменивших журналистику

Forbes
От мела к модели: как искусственный интеллект перестраивает образовательный процесс От мела к модели: как искусственный интеллект перестраивает образовательный процесс

ИИ вошел во многие сферы жизни. Не избежала его и система образования

ТехИнсайдер
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
Открыть в приложении