Сонце заховалося за густі сірі хмари. Вітер змінив напрямок, і жодної знайомої вулиці на горизонті. Але голуб, відпущений за тридцять кілометрів від рідного даху, різко повертає на південь і летить прямо додому.
Як він це робить?
Це питання дражнило науковців десятиліттями. Голуби-мандрівники долають сотні кілометрів, перетинають міста, річки, гори, і все одно знаходять свій голубник з точністю до метра. Від античних часів люди використовували цю здатність для доставки послань, але механізм залишався загадкою. Раніше вчені шукали відповідь у мозку, очах, дзьобі. А виявилося треба було дивитися в печінку.
Загадка з десятиліть
Ще з 1960-х років біологи знали: птахи використовують магнітне поле Землі як одну з навігаційних систем. Разом із сонцем, зірками та нюхом це дає їм надприродну орієнтацію. Але сам механізм сприйняття магнітного поля залишався однією з найбільших темних плям біології.
Одна теорія вказувала на світлочутливі молекули в очах. Інша на крихітні магнітні частинки в дзьобі. Десятиліттями лабораторії по всьому світу шукали докази, але жодна гіпотеза не отримала переконливого підтвердження. Здавалося, природа заховала секрет занадто глибоко.
Тепер міжнародна команда з Інституту поведінки тварин імені Макса Планка, Університету Бонна, Університетської клініки Бонна та Університету Дуйсбурга-Ессена опублікувала роботу в авторитетному журналі Science, яка перевертає уявлення про тваринну навігацію. Вони знайшли джерело магнітного чуття і це виявилися звичайні на вигляд імунні клітини, що живуть у печінці.
Залізна знахідка
Дослідники досліджували кілька органів, які раніше повязували з магніторецепцією: очі, дзьоб, мозок. Але команда вирішила перевірити й менш очевидних кандидатів печінку і селезінку. Чому? Саме там організм розщеплює старі еритроцити і накопичує залізо, яке має виражені магнітні властивості.
Вони застосували метод вібраційної магнітометрії та магнітного сепарування клітин. Перша техніка дозволяє виміряти, наскільки сильно тканина реагує на магнітне поле. Друга відділити клітини за цим параметром. Це дало змогу побачити, які саме клітини несуть магнітний заряд.
Результати вразили навіть досвідчених фізиків. Серед усіх тканин печінка містила найвищу концентрацію заліза і давала найпотужніший магнітний відгук. Різниця була настільки очевидною, що команда одразу зрозуміла: вони натрапили на щось важливе.
Ми мали підказки, що печінка й селезінка мають магнітні властивості, бо розщеплюють червоні кровяні тільця і таким чином накопичують багато заліза в організмі, пояснює доктор Клівія Лізовська з Університету Бонна, яка очолювала імунологічну частину дослідження. Але ми не очікували, що саме печінка стане головним героєм історії.
Ключову роль відіграли макрофаги імунні клітини, що поглинають старі кровяні клітини. У процесі вони насичуються залізом, яке кристалізується в оксидні наночастинки. Це робить клітини суперпарамагнітними: вони реагують на зовнішнє магнітне поле, змінюючи свою поведінку.
Залізо кристалізується в оксидні наночастинки, роблячи клітини суперпарамагнітними та чутливими до магнітних полів. Ми виявили найсильнішу магнітну відповідь саме в печінковій тканині, додає професор Ульф Відвальд з Університету Дуйсбурга-Ессена, який спеціалізується на фізиці наноматеріалів.
Хмари проти сонця
Знайти магнітні клітини це лише половина справи. Головне було довести: без них голуб губиться.
У Констанці, на півдні Німеччини, в Інституті поведінки тварин імені Макса Планка, команда тренувала птахів повертатися до голубника з відстані понад двадцять кілометрів. Це не прості випадкові голуби це спеціально підготовлені мандрівники, які знають свій маршрут ідеально. Потім учені видалили печінкові макрофаги в однієї групи і порівняли їх із контрольною групою, яка зберегла свої клітини.
Результат залежав від погоди.
У сонячні дні обидві групи успішно знаходили додому птахи орієнтувалися за сонцем і не помічали втрати. Але коли небо затягувалося хмарами і сонце ховалося, голуби без макрофагів губили напрямок. Вони металися, летіли хаотично, не могли визначити, де північ, а де південь. Для них магнітне поле Землі перестало існувати.
Виявляється, печінка виконує набагато більше, ніж можна було уявити. У хмарну погоду вона буквально стає компасом.
Ми взагалі не очікували, що імунні клітини будуть діяти як сенсори магнітних полів. Наші результати відкривають раніше невідомий механізм магнітного сприйняття у тварин, каже професор Крістіан Курц, директор Інституту молекулярної медицини та експериментальної імунології при Університетській клініці Бонна.
Те, що виглядало як «внутрішнє відчуття» у пташиній навігації, насправді має фізичну основу.
Ці слова належать професору Мартіну Вікельскі, директору Інституту поведінки тварин імені Макса Планка. Він присвятив карєру вивченню міграцій і знає, як важко було довести цей механізм експериментально.
Шлях до мозку
Залишалося зясувати: як сигнал із печінки досягає мозку?
Дослідники використали електронну мікроскопію інструмент, що дає зображення в масштабі нанометрів. Вони виявили, що залізні макрофаги розташовані дуже близько до нервових волокон, іноді майже торкаючись їх. Це створює потенційний канал передачі інформації від печінки до нервової системи, а звідти до мозку.
Ці відкриття дають перші конкретні докази того, як магнітне поле Землі сприймається всередині тіла і передається в мозок, щоб керувати рухом, зазначає доктор Лізовська.
Таким чином, три добре відомі біологічні процеси метаболізм заліза, робота імунної системи та звязок імунітету з нервовою системою поєднуються в єдиний прилад навігації. Природа не винайшла окремий орган для орієнтації. Вона просто використала те, що вже мала, і дала старій функції нове завдання.
За межами птахів
Відкриття виходить далеко за орнітологію.
Якщо імунні клітини допомагають відчувати магнітне поле, це може стосуватися й інших тварин. Акули, наприклад, чудово орієнтуються в повній темряві океану. Можливо, і в них працює схожий механізм, просто в інших органах. Дослідники також припускають, що багато мігруючих видів від дельфінів до комах можуть мати власні варіанти цього «печінкового компаса».
Більш того, команда задається питанням: чи реагують люди на магнітні поля? Деякі експерименти показували, що й у людському тілі є залізовмісні клітини. Можливо, наш імунітет теж відчуває магнітне поле, просто ми цього не усвідомлюємо. Це відкриває абсолютно нову галузь нейроімунологію навігації.
Звичайно, залишаються питання. Як саме мозок обробляє ці сигнали? Чи є в людській печінці такі самі «компасні» клітини? І чи можна використати цей механізм для створення біогібридних сенсорів або покращення навігаційних систем?
- Суперпарамагнітні макрофаги імунні клітини печінки, що містять кристалічне залізо і реагують на магнітне поле Землі
- Магніторецепція здатність організмів сприймати магнітні поля для орієнтації в просторі
- Експериментальна перевірка голуби без макрофагів губилися лише в хмарну погоду, коли не могли використовувати сонце
- Міждисциплінарний підхід імунологи, фізики та біологи поведінки обєднали зусилля для розгадки
Навігація тварин одне з найдивовижніших явищ у природі, каже професор Вікельскі. Якщо імунні клітини є частиною того, як птахи відчувають напрямок, це принципово змінить наше розуміння орієнтації.
Голуб, що летить крізь хмари, не знає про наночастинки в своїй печінці. Він просто відчуває: додому туди. Тепер ми теж знаємо, звідки береться це відчуття.
Природа створила цей компас мільйони років тому. Люди лише починають його розгадувати.
Про автора
