Куди пливуть магнітні бактерії?
Російська
На жаль, цей запис доступний тільки на
Російська.
К сожалению, эта запись доступна только на
Російська.
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 образомf 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.