Куди пливуть магнітні бактерії?

Эмблема геологов — молоток, хирургов — скальпель, а в географии — компас. Этот немудреный прибор, ис­пользуемый еще в колесницах древних китайских импе­раторов, считается одним из важнейших завоеваний техни­ческой мысли. Предполагается, что в данном случае (как и при изобретении колеса) изворотливая человеческая мысль обогнала мудрую природу, которая создавала ор­ганизмы миллиарды лет, не учитывая магнитного поля Земли. Справедливости ради заметим, что некоторые ис­следователи наделяли перелетных птиц и мигрирующих рыб чем-то вроде чувств ориентации по магнитному полю Земли, но строгих доказательств существования этого ор­гана не было. Господствовало мнение, что живая природа далека от магнетизма. И уж конечно, самому человеку живой компас не нужен, поскольку у него есть техниче­ский компас. Однако…

Знаменосцем современных исследований ориентаци­онного чувства у человека можно по праву считать анг­лийского исследователя Р. Р. Бейкера из Манчестерского университета. Вместе с сотрудниками он создал на сегод­няшний день наиболее полную картину возможного чув­ства ориентации у человека. Отметим, что не все иссле­дователи подтверждают результаты их опытов. В одной из серий опытов испытуемых увозили на автобусе с занаве­шенными окнами, с маскировкой звуков на несколько ки­лометров от исходного места и просили определить на­правление, где находится пункт отъезда. В кресельных опытах испытуемых просили определить стороны света после беспорядочного вращения кресел. Что же обнару­жилось?

Наилучшая ориентация наблюдалась примерно в пол­день. Может быть, магнитотералевтические процедуры следует проводить именно в это время Одежда из ис­кусственной ткани снижала реакции на геомагнитное попе Лучшие результаты были получены у испытуемых, одетых в хлопчатобумажные ткани или раздетых. Если ночью во время сна ноги испытуемых были направлены на север, то они лучше реагировали на геомагнитное поле (ГМЛ) Магнитные бури и воздействие искусственным магнитным полем на протяжении 10 мин достоверно ухудшали ори­ентацию на ГМП. Магнетит обнаружили в носовых костях и в надпочечниках человека. Появление компасной ори­ентации наблюдается у детей в возрасте 5 лет. К 12 годам она достигает уровня взрослых. Именно к этому возрасту формируются синусы носовых костей. Образно говоря, человек вынюхивает магнитные поля.

Бейкер не дал нейрофизиологического анализа изу­чаемого эффекта. Он доказал наличие эффекта, но не исследовал его механизмы. Именно поэтому не все ис­следователи доверяют его данным. И вдруг, нежданно-негаданно, живой компас был обнаружен там, где его и не предполагали искать. Речь идет о биогенном магнети­те (Fe₃O₄), обладающем свойствами магнитной стрелки. К настоящему моменту он обнаружен у многих организ­мов.

Отсчитывать начало магнетитного бума принято с 1975 г., когда в журнале “Сайнс” появилась статья американского исследователя Р Блекмора “Магнитотактильные бактерии”. Выделив из болотного ила в штате Массачусетс несколько видов бактерий, он обнаружил у них преиму­щественное движение на север по магнитному меридиа­ну, что соответствовало из-за наклона меридиана переме­щению в поверхностные слои водоема, где было больше кислорода.

Получается, что рыбы ищут, где глубже, а бактерии, где мельче. Однако если бактерии ориентируются по на­правлению (вектору) магнитного поля (а это было доказа­но в экспериментальных условиях путем создания искус­ственного магнитного поля с различным направлением си­ловых линий), то в Южном полушарии Земли родственни­ки этих бактерий должны плыть к другому полюсу, чтобы достичь тех же целей Результаты экспедиции в Бразилии блестяще подтвердили это предположение

Итак, стало ясно, куда плывут бактерии, но остается вопрос: как они это делают?

В наше время буйного расцвета научных исследований очень редко открывают новые виды живых существ и еще реже обнаруживают новые органеллы в живой клет­ке. И то и другое удалось сделать при работе с магнито­тактильными бактериями. Новый вид назвали акваспирил­лум магнитотактикум, а органеллы, с помощью которых эти бактерии могут ориентироваться по магнитному полю Земли, называли магнитосомы. Используя электронную микроскопию, обнаружили, что магнитотактильные бакте­рии содержат линейную цепочку примерно из 20 кубо­видных, богатых железом частиц. Каждая из них окруже­на мембраной, размеры ее стороны около 50 наномет­ров. Магнитосомы составляют около 2% сухого веса бак­терий и содержат в 10—100 раз больше железа, чем имеется у немагнитотактильных бактерий.

Микробиологи определили около дюжины морфоло­гически различных бактерий, имеющих магнитосомы. Не­которые из них, например акваспириллум магнетотактикум, являются единственным видом, растущим в чистой культуре. Они имеют жгутики на обоих концах, что позво­ляет им плыть в любом направлении по линиям поля. Ис­следователи в настоящее время изучают физиологию бактерий и среди прочего определяют, как синтезируются магнитосомы и какую роль может играть железо в элект­ронном транспорте

Эти события знаменательны Наконец-то обнаружили в виде скопления зерен магнетита компас, встроенный в живую клетку, и поняли, что бактерии, используя свои компасы, могут плыть к богатым пищей местам

Нужно заметить, что термину “магнетизм” в медицине не повезло. Им раньше обозначали то, что теперь назы­вают гипнозом, массажем, телепатией, обаянием или уже никак не называют (например, бывший месмеризм), счи­тая термин пережитком или атрибутом оккультных наук

Как утверждают физики, все вещества разделяются на три группы: диамагнетики, парамагнетики и ферромагне­тики

К диамагнетикам относятся вещества, собственные магнитные свойства которых позволяют уменьшать сте­пень воздействия на них внешнего магнитного поля Если замерим МП внутри диамагнетика, то оно будет по вели­чине меньше, чем воздействующее на него внешнее по­ле. Происходит своего рода эффект вычитания из внеш­него поля внутреннего Диамагнетики —- инертные газы, цинк, золото, ртуть, кремний, фосфор, графит, многие ор­ганические соединения.

В парамагнетиках, наоборот, происходит эффект сло­жения собственного внутреннего и внешнего полей. Маг­нитные свойства парамагнетика усиливают степень воздей­ствия на него внешнего МП. Парамагнетики — двухатом­ные газы, например кислород, окись азота, щелочные металлы — литий, натрий, калий, а также платина и палла­дий.

Ферромагнетики — это вещества, в которых происхо­дит как бы эффект умножения. Внешнее магнитное поле вызывает внутри них такие перестройки, что величина по­ля, образовавшегося внутри вещества, может в сотни и тысячи раз превосходить по величине породившее его внешнее МП. Обычных ферромагнетиков в природе три — железо, кобальт и никель.

Из приведенной классификации уже может быть сде­лан предварительный вывод: в живом организме явно преобладают диамагнитные вещества, иногда с некоторой примесью парамагнетиков.

В нашей стране магнитобактерии впервые были обна­ружены в 1985 г. Исследователи из Института химической физики АН СССР П. А. Сигалевич и А. А. Кузнецов нашли их в обычной воде естественных пресноводных водоемов. Более тщательные поиски показали, что магнитобактерии не так уж редки в наших водоемах. Их стали находить в болотах, прудах, реках, озерах, родниках. Ими оказались различные виды — кокки и спириллы. Результаты иссле­дований советских ученых в целом подтверждают данные группы Р. Р. Блекмора, расширяя географию расселения этих удивительных существ

Здесь уместно заметить, что горизонты науки обычно расширяются при появлении новой техники исследования Лет 10—15 назад физики-криогенщики, стоящие далеко от проблем биологии, вдруг обнаружили, что они своим новым прибором, основанным на эффекте нобелевского лауреата Б. Джозефсона и сокращенно названным СКВИДом, могут измерять магнитные поля человека и остаточ­ную намагниченность магнетита биологических объектов.

Односложное словечко СКВИД становится сверхмод­ным, оттесняя лазер, мазер и другие порожденные науч­но-технической революцией термины. Этим кратким сло­вом обозначают сверхпроводящий квантовый интерфе­ренционный датчик, который может делать многое: изме­рять электромагнитные поля и температуру, быть элемен­том ЭВМ, служить технической дефектоскопии, геофизике и гидрологии и т. д. Нас интересует способность СКВИДа регистрировать очень слабые магнитные поля биологиче­ских объектов.

Перед исследователями биомагнитных полей, как и перед героями древних былин, вставали три главных пре­пятствия, которые пет двадцать назад казались неодоли­мыми. Во-первых, надо было создать датчик для обнару­жения очень слабых магнитных полей. Во-вторых, требо­валась уникальная усилительная аппаратура, необходимая для регистрации воспринятых слабых сигналов В-третьих, нельзя было обойтись без защитного экрана от земного геомагнитного поля и технических электромагнитных полей, интенсивность которых была намного больше био­магнитных полей. Например, автомобиль, проезжающий на расстоянии 100 метров, создавал магнитное поле в 1000 раз большее, чем поле рядом расположенного моз­га человека.

На пути совершенствования методов магнитометрии пересекались пути различных специалистов, например не­вролога и искателей подводных лодок с самолета. Задачи у них схожи: нужно обнаружить очень слабые магнитные поля. Только главные магниты организма: сердце, мыш­цы и мозг — создают магнитные поля активно, в процессе своей деятельности, а магнитные поля железного пред­мета пассивно сопровождают его.

Для магнитометра неважно происхождение магнитного поля. Он с одинаковым успехом может зарегистрировать магнитное поле мозга и магнитное поле мельчайших час­тиц железа, находящихся в желудке, если человек, к примеру, ел пищу из консервной банки. Во втором слу­чае для определения частиц железа их предварительно намагничивают, помещая человека на несколько минут 8 искусственное магнитное поле. Таким способом опреде­ляют наличие железных частиц в легких у шахтеров или электросварщиков, когда рентгеноскопия не дает резуль­татов. По скорости выведения частичек железа можно от­личить легкие курильщиков от легких некурящих людей.

Работа СКВИДов по определению искусственных маг­нитных включений у человека снова вернула нас к про­блеме, возникшей при изучении магнитных бактерий. Только ли бактерии биогенным путем синтезируют маг­нетит?

Магнитные включения в 1982 г. обнаружили у зеленых водорослей. В прибрежной лагуне реки Рио-де-Жанейро из весьма загрязненной воды ученые извлекли водоросли рода Хламидомонас и поместили их в магнитное поле. Водоросли пассивно ориентировались к югу, наподобие ориентации, наблюдаемой у магнитобактерий. Их магнит­ный момент был, однако, в 10 раз больше, чем у бакте­рий, в Северном полушарии те же исследователи нашли аналогичные, но уже североориентированные водоросли того же рода. Этот факт был признан первым достоверно зарегистрированным случаем настоящего магнитотаксиса у эукариот, т. е. организмов, имеющих ядро. Бактерии — безъядерные клетки, их называют прокариотами. Напом­ним, что термин “магнитотаксис” обычно обозначает на­правленное движение организма под действием внешне­го магнитного поля.

Почему у водорослей возникла способность к магнито­таксису, не ясно до сих пор. Как и у бактерий, ответствен­ными за магнитные свойства у зеленых водорослей оказа­лись микроскопические включения кристаллов магнетита.

А теперь перейдем к животным. В системе их орга­низма имеется вещество, заведомо обладающее какими-то небольшими магнитными свойствами. Это гемоглобин крови, в молекулярной структуре которого имеется атом железа. Сама кровь, как это установил еще в прошлом веке М. Фарадей, диамагнитна. Но уже в 30-х годах на­шего века обнаружили, что деоксигенированный (т. е. ли­шенный кислорода) гемоглобин имеет на 7% меньшую магнитную восприимчивость, чем обычный гемоглобин.

В прошлом широко обсуждался вопрос: может ли кровь менять свои свойства под действием внешнего магнитного поля? Японские ученые в конце 70-х годов доказали, что на эритроциты здорового человека доволь­но сильное постоянное магнитное поле никак не влияет. Однако такие же эритроциты, взятые у больного серпо­видно-клеточной анемией, могут быть ориентированы в пространстве постоянным магнитным полем.

Советские физики, проводя аналогичные эксперименты с эритроцитами, пришли к выводу, что “магнитная воспри­имчивость функционирующей клетки является функцией ее физиологического состояния, и поэтому изучение этой величины имеет существенное значение для разработки новых методов медицинской диагностики”. Одним из та­ких новых методов, например, служит разработанный группой Л. А. Пирузяна метод магнитофореза эритроци­тов.

Развитие экспериментальной магнитометрической тех­ники в последнее десятилетие привело к обнаружению в разных частях организма животных странных и загадочных по своему назначению ферромагнитных магнетитовых отложений — настоящих микроскопических железных по­стоянных магнитов! Они обнаружены практически у всех позвоночных: рыб, черепах, птиц, млекопитающих. Под­черкнем — их находят и в организме мигрирующих на дальние расстояния животных. Проблема навигации миг­рантов пока еще далека от решения, может быть, они для этой цели используют геомагнитное поле Тогда най­денные магнетитовые включения (кстати, в голове рыб они окружены нервной тканью) могут служить органом восприятия геомагнитного поля, своего рода естествен­ным компасом, позволяющим проводить навигацию в от­крытом море.

У черепах — дальних мигрантов — аналогичные маг­нетитовые частицы пронизывают все ткани. У птиц (голу­бей) они обнаружены в голове — в пространстве между твердой оболочкой мозга и черепом. Предполагают, что накопление железа в голове птиц для этих целей проис­ходит за счет эритроцитов крови. У млекопитающих зерна магнетита находят обычно там же — в области головы У дельфинов и китов они находятся там же, где и у птиц У различных грызунов и обезьян магнетит находится в этмоидной (носовой) полости в голове. Причем во всех случа­ях магнетитовые зерна обязательно окружены нервной тканью. Это косвенно свидетельствует об их рецепторных функциях.

Поскольку я с юности неравнодушен к рыбам и, зна­чит, слежу за посвященной им научной литературой, то рассмотрим предположение о рецепторных функциях магнетитовых зерен на примере рыб.

Тунцы, марлины, некоторые лососи, речные угри вы­деляются среди других групп рыб прежде всего своими миграциями, связанными с необходимостью нереститься в одних условиях, а основной период жизни проводить в других. Угри мигрируют из пресных вод континентов в расположенное посреди океана Саргассово море. Лосо­си, наоборот, идут на икрометание из открытого моря в реки. Тунцы и марлины пересекают океан из одного кон­ца в другой. При всех различиях этих групп рыб у них есть и нечто общее — неразгаданные механизмы ориен­тации и навигации, позволяющие им находить правильный курс в открытом океане. На какой природный фактор они ориентируются? Может быть, на геомагнитное поле?

Гипотеза требует доказательств по меньшей мере по двум пунктам. Первое — способны ли эти мигранты по­чувствовать столь слабый естественный раздражитель, ка­ковым является геомагнитное поле? Второе — где и ка­ков тот рецептор, функция которого позволила бы произ­водить ориентацию по геомагнитному полю?

Американские ученые М. Уолкер и Дж. Киршвинк с сотрудниками с 1982 г. исследуют тунцов и марлинов. Эксперименты проходят на Гавайских островах в Тихом океане. Вначале у подопытных рыб вырабатывали услов­ный рефлекс на искусственное магнитное поле, создавае­мое электрическим током, проходящим через провода, намотанные вокруг бассейна, где плавали рыбы. Магнит­ное поле вертикального направления превышало геомаг­нитное поле от полутора до трех раз. Успешно вырабо­танные условные рефлексы свидетельствовали о том, что тунцы и марлины вполне способны воспринимать слабые магнитные поля, равные земному.

Анализ различных тканей показал, что наибольшую ос­таточную намагниченность (на один-два порядка) имели этмоидные кости черепа. Затем методами электронной микроскопии и дифракционной спектрометрии в них об­наружили кристаллы магнетита. Итак, тунцы и марлины, совершающие дальние миграции, чувствительны к сла­бым магнитным полям и в их организме обнаружен маг­нетит.

Приоритет четкого доказательства возможной геомаг­нитной ориентации лососей, по-видимому, принадлежит новозеландскому учёному П. Тейлору из университета города Окленд. Он исследовал компасную ориентацию молоди чавычи — одного из лососевых видов. В незнако­мых условиях экспериментальной установки эти рыбы чет­ко выбирали направление своей миграции по определен­ному курсу. Когда вокруг установки создавали слабое ис­кусственное горизонтальное магнитное поле, то внутри нее суммарное поле оказывалось равным земному, но развернутым на 90°. И молодь чавычи тут же переориен­тировалась — произвела поправку к выбираемому курсу примерно на те же 90°. При отключении дополнительного поля рыбы возвращались к первоначальному курсу.

Естественно, что прямое доказательство геомагнитной ориентации стимулировало поиски каких-либо включений в организме этих рыб, И они были найдены. Такие же ис­следования провели с представителями родственного ви­да лососей — нерки. И у чавычи и у нерки в соедини­тельной ткани этмоидной области черепа обнаружили магнетитовые частицы. По размерам, форме и химиче­скому составу они были аналогичны тем, что найдены у тунца.

Частицы представляли собой ферромагнитные домены, выстроенные в длинные цепочки, в результате чего их магнитные моменты складывались. Когда изучили нерку разных возрастов: годовиков, покатую молодь и зрелых рыб, — то оказалось, что в ходе онтогенеза по мере рос­та и развития рыб количество магнетитовых частиц в этмо­идной области черепа закономерно возрастало. Советский исследователь И. М. Запорожец (Камчатка) подробно изучил физиологические процессы у молоди лососевых при изменении геомагнитного поля. При уменьшении или увеличении ГМП, т. е. нарушении магнитного комфорта, у развивающихся рыб изменялись многие процессы.

Наиболее драматичной оказалась история исследова­ний геомагнитной ориентации речного угря. Калининград­ские исследователи С. И. Глейзер и В. А. Ходорковский в 70-х годах начали изучать компасную ориентацию молоди угря в условиях, при которых исключались гидрологиче­ские и астрономические ориентиры. В экспериментальном лабиринте рыбы все время выбирали определенный курс движения по странам света. Ориентация пропадала, если вокруг установки уменьшали естественное геомагнитное поле. Из различных модификаций этих опытов выходило, что молодь речного угря способна к компасной геомаг­нитной ориентации.

Надо сказать, что в то время эти опыты в кругах уче­ных получили неоднозначную оценку. В последующие го­ды подобные опыты проводили в разных странах с евро­пейским и американским речным угрем. И вот в 1986 г появились данные, неопровержимо подтверждающие геомагнитную ориентацию угрей. Американские исследо­ватели Дж. Соуза, Дж. Полухович и Р. Гуэрра на меди­цинского колледжа штата Висконсин а городе Милуоки проводили опыты со взрослыми, но еще не мигрирующи­ми угрями в так называемой желтой стадии. В бассейне при нормальном направлении геомагнитных силовых ли­ний рыбы выбирали один определенный курс по сторо­нам света — северо-восток. При компенсации геомагнит­ного поля угри стремились на географический север или концентрировались в центре бассейна, не проявляя ника­кой ориентации. Наконец, при развороте направления магнитных силовых линий в пределах бассейна на 180° рыбы выбирали курс, прямо противоположный нормаль­ному, а именно юго-запад. Таким образом_f а этих опытах ориентация угрями производилась именно по ГМП. Так была доказана геомагнитная ориентация угрей. Однако остался невыясненным вопрос: где в теле речного угря находится орган магниторецепции?

Как и у других рыб-мигрантов, гипотетически таким органом называют кристаллы магнетита. Они были найде­ны в 1984 г. у угря группой шведских ученых во главе с М. Хансоном из Технологического университета города Гетеборг. Магнетит содержался в надкостнице и в мозго­вой оболочке. Кроме зерен магнетита, были также обна­ружены и другие железосодержащее частицы — новые претенденты на роль встроенного компаса. Это гематит и альфа-железо. Все они находились на внутренней поверх­ности черепа угря и имели микроскопические размеры — от 100 до 3 тысяч ангстрем.

Конечно, обнаруженные ферромагнитные включения в голове угря еще не доказывают того, что они восприни­мают ГМП. Однако сам факт их наличия у угря хорошо подкрепляет данные о его способности к геомагнитной ориентации.

В переведенном с английского двухтомнике “Биоген­ный магнетит и магниторецепция” (М.: Мир, 1989) сказано, что магнитные частицы в черепах многих животных прони­зывают все ткани, однако у рыб они концентрируются в этмоидной полости, куда входят кости стенок и перего­родка носовой полости. Это примерно та же самая область, где был найден магнетит у дельфинов и голубей (есть сообщения, что и у людей). И еще: во всех случаях исследователи отмечают, что магнитные частицы окруже­ны нервной тканью, Что подтверждает возможность взаи­модействия между частицами и регуляторными система­ми организма.

Эта интересная область исследований, которую не всегда можно связать с магнитной ориентацией (напри­мер, магнетит обнаружили у водорослей и в культурах некоторых опухолевых клеток), хорошо вписывается в магнитобиологические направления. Магнитные бактерии ведут нас к познанию тонких взаимодействий различных биологических систем с окружающими электромагнитны­ми полями естественного и искусственного происхожде­ния.

В отличие от ортодоксального биомагнетизма исследо­вания магниторецепции, например, у магнитных бактерий с самого начала насыщены биологическим смыслом (маг­нитные включения нужны для восприятия организмом магнитного поля Земли), хотя опыты проводят чаще фи­зики. Может сложиться впечатление, что в электромагнит­ную нейрофизиологию непрерывно вторгаются различные “варяги” и начинают ею управлять. Однако путь, указан­ный плывущими магнитными бактериями, ведет к выясне­нию, первичных механизмов (а их несколько) взаимодей­ствия биологических объектов с магнитными полями.

• ← Що передує болі?
• Коли вершити підсумки?! →