Биогенный магнетит и магниторецепция. Новое о биомагнетизме. Под ред. Дж. Киршвинка. Том 2 (1989), страница 10

Наблюдаемый в световой микроскоп образец, содержащий различных микроорганизма. Стрелки указывают на микроорганизмы, об ченные под номерами 1, 2 н 3 в табл. 14.!. и(или) электронного микроскопа; среднее число участков с вы электронной плотностью во внутриклеточном пространстве; скорости движения се; времена Ь1-образного разворота т и его днам Ь в магнитном поле 9,3 Гс; величины магнзггного момента, получен 5! У4. Магниточуветвитезьиые микрооргоиизмы помощью электронной микроскопии и(или) путем наблюдения за (/-образным поворотом; величины отношения тВ„/ВТ и времена реверсии, рассчитанные для локального геомагнитного поля.

При оценке величины магнитного момента по данным электронной микроскопии мы предполагали, что 8050 объема электроноплотных участков занимает магнетит (Тече, ) ожепзгаш, 1967; В1а!гешоге, 1982). 4. Выводы Обнаружение различных типов магниточувствнтельных микроорганизмов (МоепсЬ, Коне!х(га, 1978; В1а)гешоге е! а!., 1980; К!гвспи!пЕ, 1980; Егап)се! е! а1., 1981; Евйп1че! е! а1., 1983), а также различий в поведении микроорганизмов из разных водоемов, характеризующихся различными геомагнитнымн полями !в районе городов Форталеза (Ргапйе1 е! а1., 1981), Манаос, Сальвадор и Рис-де-Жанейро3, заставило нас более широко взглянуть на явление магннточувствительности (магнитотакснса). Находящиеся далеко друг от друга магниточувствительные микроорганизмы могут рассматриваться как невзаимодействующие магнитные диполн. Выстраиваясь во внешнем магнитном поле величиной Вео магнитные днполи в среднем поворачиваются на угол О, значение которого определяется уравнением (сов О) = Ь(тйо//с7), где Е(х) =со!Ьх — 1/х — функция Ланжевена для классического пара- магнетизма, а тВв//еТ вЂ” соотношение между энергией магнитного взаимодействия и тепловой энергией.

При х«! Ь-+О и диполи слабо ориентированы в магнитном поле, тогда как при х > 0 Š— 1 и днполи практически полностью ориентнрованьз в магнитном поле ((соз О) = 1). Положим, что скорость движения микроорганизмов в данной среде равна о . Средняя скорость миграции вдоль силовой линии магнитного поля определяется выражением (Теайпе е! а1., 1979) (о) = о„(сов О), (4) где величина (соз О) определяется уравнением (3). Когда тВв/ЙТ= 1, средняя скорость миграции составляет около 30% мгновенной скорости. Это означает, что даже в этом случае магннточувствительность дает селективное преимущество организмам.

Так, в Рио-де-Жанейро (Вв =0,25 Гс, магнитное наклонение ! — 25') для микроорганизма, у которого тВ,/ВТ= 1 (например, когда т„= = 1,6.10 'з ед. СГСМ), мы имеем (о) = 0,3о„, а вертикальная составляющая скорости миграции, определяющая собственно скорость, с которой микроорганизм движется ко дну, равна (о), = (о) ап 1 = 0,1о„.

Приведенные в табл. 14.1 оценочные значения т показывают, что для !4 Магниточувствительные микроорганизмы 53 На рис. 14.11 представлены кокковидные бактерии, которые подверглись фиксации в отсутствие сильного внешнего магнитного поля. Судя по фотографии, между этими бактериями сушествует магнитное взаимодействие, причем их взаимное расположение сходно с тем, которое наблюдается у кристаллов магнетита, выделенных из клеток А. таунегогасйсит (рис. !4. 12). Это магнитное взаимодействие не проявляется при наблюдении за живыми микроорганизмами, вероятно, потому, что энергия их собственного движения намного больше энергии данного взаимодействия.

Одни и те же бактерии, взятые в местах с различными характеристиками геомагнитного поля, различаются по числу и форме магнитных кристаллов. По-видимому, соотношение между величиной геомагнитного поля и магнитным моментом микроорганизмов таково, что произведение величины магнитного момента на напряженность локального геомагнитного поля примерно постоянно.

На рис. 14.5 — 14.8 представлены микроорганизмы, для которых характерно наличие около 1500 не отличающихся строгой взаимной упорядоченностью электроноплотных участков. Это наблюдение заставляет предполагать существование иных, новых механизмов, лежащих в основе магииточувствительности. Хотя число электроноплотных участков у этих организмов в 100 раз выше, чем у бактерий, их магнитный момент превышает магнитный момент бактерий всего примерно в !О раз. Тшательный анализ обнаруживает определенную упорядоченность в некоторых агрегатах, образованных участками с высокой электронной плотностью. Подобное распределение электроноплотных участков может быть признаком сушествования иного механизма чувствительности к магнитному полю, основанного на наличии пространственно упорядоченных магнитных диполей, с помощью которых можно обнаружить пространственные изменения магнитного поля. Вместе с тем микроорганизмы, использующие геомагнитное поле при ориентации, должны уметь эффективно реагировать на изменения этого поля, а также на изменения своего положения относительно магнитного поля.

Следовательно, если при изменении внешнего электромагнитного поля происходит отклонение микроорганизмов от их траектории дяижения, то коррекция движения должна осушествляться эа период, меньший, чем время между двумя последовательными изменениями в окружающей среде. Это означает, что время реверсии должно быть достаточно малым с биологической точки зрения, определяемой длительностью жизни микроорганизма и его размерами. Как показали Френкель и Блейкмор (Ргап1се1, В!а1сепюге, 1980), ориентация в магнитном поле возможна в том случае, если энергия магнитного взаимодействия выше энергии теплового движения, тВ 41ьТ> 1.

Это условие выполняется, когда величина магнитного момента составляет т„= 1,6 !О "ед. СГСМ, а величина геомагнитного поля, характерного для рассматриваемой местности, 0,25 Гс. При Ч. ТК Магнитарецепнил и магнитные минералы 54 1ЗО б О. Ф Ю Ю я Рис. 14.!3. Зависимость времени реяерснн (т) прн Вр = 0,25 Гс от куба радиуса некоторых маг~иточувствитрльпых мякроорганизмов. Кривая 1 построена, исходя ю уравнения (1), в предположении, что величина магнитного момента ы = 1,б 1О '~ ед. СГСМ для всех рассмотренных микроорганизмов. Темные квадраты-зпачепия средних времен реверсяи, полученные для значений ы, приведенных в табл. 14.1. Заштрихованная область †ожидаемый интервал времен реверсия т.

а я Й 50 О:,! 1 10 100 ОБъем, ыямз Благодарности, Мы благодарны профессору Жш(у Данону за участие в обсуждении данной работы, д-ру Р. Б. френкелю за ознакомление нас с этой проблемой и предоставление информации, д-ру Р. П. Блейкмору за постоянной величине т [уравнение (1)3 время реверсии т должно расти как куб радиуса клетки микроорганизма. С увеличением размера организмов резкое замедление т при неизменной величине л1„должно приводить к потере способности эффективно реагировать на магнитные воздействия. Примером такого замедления т при постоянном значении гп„может служить кривая на рис.

14.13, рассчитанная для В„= 0,25 Гс, Анализ данных, приведенных в табл. 14.1, показывает, что величина т растет с увеличением объема микроорганизмов, и при этом рост величины . замедляется. На рис. 14.13 приведены значения т, полученные для данных значений гл и Вр — — 0,25 Гс. Эти данные наводят на мысль о существовании верхнего предела размеров организма, выше которого магниточувствительность уже не может служить эффективным механизмом ориентации. Магнитотаксис, судя по всему, эффективен в качестве механизма ориентации, когда !) энергия магнитного взаимодействия намного выше тепловой энергии и 2) время, необходимое для того, чтобы вращающий момент ориентировался в геомагнитном поле, намного меньше времени циклических изменений, характерных для данного местообитания. !4. Магнитачувствнтельные микроорганизмы 55 предоставление материалов и сведений.

Эти трое наших коллег служили для нас источником воодушевления, вдохновения и идей. Мы благодарны покойному д-ру Л.П.Г. Оливейре за внимание к нам; его жизнь будет для нас прекрасным примером. Мы признательны Маркосу Фарине за помощь в электронно-микроскопических исследованиях, д-рам Вандерлею де Соуза и Р.

Мачадо за участие в обсуждениях, Роберту Эйзембергу за работу в нашей лаборатории и Марлен Б. Мелло за подготовку рукописи к печати. Литература Вас)зе1агзГ С, !966. Еа рМ!оворЛ!е йи поп, 41Ь ей., Ргеввев ()и!вега!се Рапв, Ргапсе. Ва(сег Е.В. (1980а). А вепве оГ пзарзейвпз, )з(сиз Бс!., 87, 844-846. Ва(сег Я.В. (1980Ь). Оса! ог!епсайоп Ьу Ьйпс(-Гоиес) Ьтпап айег !опа-допапсе й!вр!асетепс: Рова!Пе!пво!ветепс оГ а зпавпейс вепве, Баепсе, 210, 555 — 557. Ва()сзг(!1 О.Г., Мага!го О., В1а(сетаге К.Р. (1980).