Биогенный магнетит и магниторецепция. Новое о биомагнетизме. Под ред. Дж. Киршвинка. Том 1 (1989) (1095847), страница 65
Текст из файла (страница 65)
ЙОРК ОбаУждает С ЗКЕРГЕтКЧЕСКОй тОЧКН ЗРЕНИЯ те условия, которым должны удовлетворять сенсорные системы на основе магнетита для достижения Высокого разрешения, а Кнршвкнк н УОКЕР ЗНЗЛКЗИРУтот ВОЗМОжНОСтЬ СУШЕСТВОВЗИКЯ МЕХаКНЗМа МатпнтОРЕЦЕЦЦИИ, ОСНОВЗННОГО и4 КСПОЛЬЗОВЗККИ ООЛЫПОГО ЧИСЛЗ МЗГНЕТНТКЫХ рецепторов, и, привлекая жвлиые по естественному отбору, пытаются оценить размер частиц в таких структурах. Наконец, Гоулд рзссматрнвает различные данные полученные при изучении поведения животных„ указываюшие на то, что малые изменения геомагнитного поля могут ИГРЗТЬ РОЯЬ В ПОЯВЛЕНИИ КЧУВСТВЗ КЗРТЫЛ У жНВОтНЫХ. Ьрюс Розекблю.ы, Роджер Л. Юйгерман, Лтзрйй Дои~ф~лдоу" 1, Введение Изучение пояелсння животных с очевидностью показало, что некоторые аз них воспрнннмают Весьма слабые магаиткые полл (такие, например, кзк магнитное поле Земли).
Тем не менее лишь у нсмкогнх вижв кцснтнфнцкрован орган, ответственный за магкиторецеацню. Известг4Ы только два бесспорных случая иаличня таких систем-зто кристаллы магнетита у бактерий н ампулы Лоренцини у пластиножаберных рыб, Магннторсцепцня является также, по-видимому, единственным чуват.- ВОМ, характерным для животных, 4калот которого ке проявляетси человека. Способность воспринимать магнитное поле н отсутствие четко вьцраженного органа мзгннторецепани ставит перед учеными проблему, единственную ь своем роде. Магниторепепкия характерна для стталь бОЛЬШОГО ЧИСЛЯ ВндОВ, ЧтО Опа, ПО-ВИЛИМОМу, ПрвдстаВЛяст Собсй достаточно Обшее явление.
Основанием длл такого предположении к ключом к установлению природы соответствуюшего орГЗКЗ являетсж к тот факт, что магиетнтные крнсталлнты часто присутствуют у жив:ых организмов в таком количестве, что в приникпе они могут быть ответствеккы за магниторецепцию„и при этОм не БыиОлняют нккаиих известных функций. Друток механизм магинторецепцнн. который реализуется у пластнножабериых рыб„основан на нсцользовакни нндуиае Фарадея и не требует наличия магнитных материалов, Он МОжет бьать характерен и для наземных животнык В целом проблема ызгииторепепцки представляется весьма важной, н при ее решеник возможно Нет КОЛЬЗО ПОДХОДОВ.
й этой главе мм обсудим возможные формы органов магииторецспцни, ОсковаккОН на магнитнОй индукпяи, исхОдя из Ограинчекий, налагаемых шумами. 8 тех случаях, когда известны размер и форма ~ й"иге %затаит, даает Г..Ьлаа7ааук Хаиггпт ЬЩЯГейар, рараттбмат. 01 Рьужа 0аМет~йу о1 СайГоттаа„Яаята Сто, СанЬтЫа 95064. Ртаааат адтем сг ЙА 3., Оарат$атеат ОГ Арр!кд РЬуйсз, ЙапЬтд баюетайу„ЗапЬтд, Сайотя1а, 943О5.
Ч. ИГ. Иатит$$ре$$епцйч: $$$еоре$$$$$ $е$х$$е расс,$$о$$$ргл$$е соответстаующего органа чувства, можно оценить налагаемые шумами ограничения иа пороговую чувствительность. Опыт изучения различны в дов рецепции у животль$х $$оказывает, что природа часто действует ичных при конструировании соответствующего органа весьма эффект$$в$$о, и во многих случаях такой орга$$ работает ка$$ раз па пороге чувствительности, полученном расчетным путем.
Мы используем указанную процедуру в обращенном миде и попытаемся определить возможную форму Ор$'а$$Й исхОдЯ цз кйблюдйемОй чувствительности и ОбщебиОлОГическвх и в$$довых огрйниче$$$$й, $ начала мы Остановимся нз Общих аспектах влияния шума $$а чувствительность, а затем рассмотрим случай теплового шума в рецепторе. Далее мы обсудим вопрос о существОвапии органа магнита- рецепции, использующего индукцию Фарадея, 2.
Влияиие шума; обшие п$.$ложения Любой орган чувства реагирует на воздействие со стороиь$ Окружающей СРЕДЫ, ПЗПРИМЕР на ВЕЛИЧИНУ МЙГ$$ЛТИОГО ПОЛЯ В $Н$ННОМ МЕСЬЕ, И перййает полученную информацию в виде электрического сигнала ий более выоэкий нейронный уровень для переработки, ответа и хрзие$$ня, Шумом мы называем некий сигнал, одновремеино передаваемый по тем же канйя$$м и неотличимый от истинного С$$гиала, порождаемого окружающей средой. На более высоких уровнях, например на уровне центральной нервной системы, полученная информация сравнивается с данными от других рецепторов или с ранее накопленной информацией, возможно, усредненной па большому периоду времени, Боди система достаточно июжт$а и изощренна, то скорее всего простое и четкое понятие пре$$$елй чувствительности отсутству~~, Поэтому снйчалй мы рассмотрим систему, в которой нет сложных корреляций или долгавре» менных усредпсннй.
Это упрощение, хотя и ве всегда нравияы$ое, позволяет получить хорошее $триближение д$$я оценки многих проспи пороговых эффектов, таких как восприятие слабого звука или света. В этом случае минимальный детектнруемый сигнал имеет величину норядка шума. Поскольку мы хатим Оценить те ограничения, которые нз лагз$отся на орган чувства шумом, нам следует остановиться иа шуке„ возникающем внутри рецептора, Поэтому мы не будем принимать во внимание явиешний шума, который может $$обмйнутьй рецепта . Г де же возникает в органе магнлторецепции тот внутренний шум, ептор.
который нас интересует"$ В $$екаторых органах чувств можно вь$делнть первичнъ$й преобразователь, который преврап$дет сигнал, поступающий и из окружающей среды, в форму, подходи$цу$О для переработки оследующем отделе органа чувства, после чего он переллется, скажем. в в 1 в центральную нервную систему. Примерам такого первичного преобразователя является ухо; глаз, напротив, представляет собой почти прямое проло$$женпе центральной нервной системы. В основе такого различия Инду$щ$$$$$хм$$л ~м$$Р$$$гэ$$ м$$~н!й$$аре$$с$$$$ли лежит энергия паступйннцих квантов. Э$$ергия кванта света достаточна $$елиха, чтобы Непосредственно, с помощью электрохикического нроцесса, яндуциравйть нерв$$ый импульс.
Энергия кванта звукового сиг$$ййа $$Й $$ять порядков ме$$Ь$ие, п$хэтому ухо должно иметь $$е$$ую первичную структуру-макроскоп$$чссккй неквантовый (т. е. классичес$$ий) преобра.$Ователь сиг$$зла для передачи его $$срвнь$м Окончаниям. Предлагались различные экзотические механизмы, с помощью $$оторых маГнитнОе цолс мОпю бы ннду$$$$ровйть в пейро$$зх кервнь$е $$мпульсь$ электрическим или злектрохимическ$$М путем, Однако зпергня квантов, характерная длв взаиыодействия с геомагннтным нолем, чрезвычайно мала и прямая стимуляция иейро$$$$ых процессов кажется м$$ловероят$$ой.
Должен существовать какой-го первичный првобразо$$атель спп$ада. Оба обпаруже$$нь$х в нрнроде мйгниторецептора (у бактерий и пластиножаберных рыб) действитель$$о имеют такие макросхопическпе преобразователи. Лежащие в ос$$ове йх действия меха$$$$змы-вращаюпп$й момент, прнложспный к магнитному материалу, и и$$дук$пп$ Фарадея — Являются тйхже простейшими и наиболее Очевид $$ым$$ с точки зрения физики спосо$$$$м$$ детектирования мйгпитпых нолей, Попь$тае$$$ся определить характеристики ма$$роскопического $$ервнч$$ого преобразователя длл случая ипдукциа$п$ого магниторецептора $$сходя из анализа шумов и чувствительности, Механизм последукнаей переработки информации, постуцаю$пей ат макроскопического преобра$О$$$$теля, по всей вероятности, похож на другие нейронные процессы.
$$удем считать, ЧТО, хак и 6 случае других ОрГЙИОв чувств, зто'г механизм рабатаст На таКОМ урОВНЕ чуВСТВПТЕЛЬНОСтт$„КОТОрмй бяЛЗОК К абуСЛОВ- ленному шумом теоретическому пределу, и поэтому будем пренебрегать любым шумом, вносимым нй более поздних стадиях, сконцентрировав все ВИИМаННЕ ИЗ ПврвИЧНОМ ПрЕОбраЗОВатЕЛЕ, Кйк и любая биологическая система, первичный преобразователь может генерировать систематический и случзйнь$й шумы, оценить которые очень трудно. Однако всегда существует тепловой шум, нала- тающий ограничения, которые невозможно устранить, н минимальный сигнал, детектируемый биологическими, электроинымй и механическими с$$стемами, часто оцредеаяетсл имен$$О им. Предположим, что это условие выполняется н в данном случае.
Поскольку первичный магнтг$- ный преобразователь находится в тепловом контакте с окружающей средой> любая егО характеристика, на которую влияет МЗГнитнае поде, будет варьировать цод влиянием тепловых флуктуаций. Чтобы измеие$$ие этой характеристики можно было отнести иа счет влияния магнит$юго ноля, указанное изменение должно превышать любые качественно неотличимые от него случайные тепловые отклонения. Праще чем пытаться анализировать индукционный способ васприят$$я магвитпого поля, рассмотрим механизм магниторецепц$$и, основанный на использовании магнитных материалов. Ои изучен более детально $$ обсуждается в следующей главе.
Ч. Ш. Ми,иши~ари~ииГим: ~неоре~личахое раесмощрелие Магнитные материалы, с помощью которых может осуществляться магкитарецепцкя, скорее всего представляют собой магнитные диаолк в аиде кристаллнтов размером да микрона с высокнм содержанием железа или другах переходных элементов, Эти кристаллы должны быть каким то Образом связаны с нервными Окаичаипями- О морфологии, РаЗМЕРЕ И Саетааа ИИДУКЦИОННОГО РЕЦЕПТОРИ ИЗВЕСТНО МЕИЬШЕ, ЧЕМ О рецепторе, основанном на использовании магнитных материала~, Прежде чем пытаться усганавить все эти характеристики кндукциоипого органа, мы сопоставим два указанных механизма Матнитиое ПОЛЕ ВЫЗЫВаст ПОЯОРОт МаГПнтНОГО КРистаЛЛИта — ПЕРВИЧ- нага преобразователя, и возникающее прп этом напряжение или давление каким-то образом индуцирует в нейроне электрический сигнал, 8 СЛУЧас жс ИНДУКЦИОННОГО МЕХаинэма ВЫХОДиай СНГИал ИЕРВИЧНОГО преобразователя уже является электрическим.
Наворот магнитных кристаллнтов В магнитном поле происходит всегда, для этого ие требуетса никаких Действий со стороны живатного; напротив, для получения сигнала прн индукционном механизме необходимо, чтобы животное совершало определекиые движения. Чувствительность при детектировании, основанном иа использовании магнитных диполей, определяется величиной случайных поворотов диполей нз-за тепловых флуктуаций, При индукционном механизме апа определяетсв разностью между Напряженнем, генерируемым тепловым шумом, и напряжением, обуславвеииым двкженкем животного в магнитном поле. а обоих случаях чувствительность может увелкчиватьаа прк мпагократнои регистрации животным магниторецептаркаго сипила или усреднеиии по нескольким рецепторам. То„чта махнетитхые кристайлиты в самОм Деле могут быть ответ~тасины за магкиторецепцкю у животных, показано только для бактерий.
Тем не менее известка, что такие материалы способны ОбЕСПЕЧИТЬ НабЛЮдасиуЮ ЧуяетакТЕЛЬИОСТЬ К ГЕОМаГННТИОМу ПОЛЮ, а возможно, и более высокую чувствительность. В следующем разделе мы обсудим„может лк обладать необходимой чувствительностью индукционный магиитарецептор, п аопытаемся оценить характеристики соответствующего органа. 3. ОрГйн, Отнетстнйнный ЗН индукционную магниторецепцию Некоторые аластиножаберкме рыбы абляллют чувствительностью к малым магнитным полям, например к магнитному полю Земли (Кайвцп. 1982), причем, как предаалагаетсл. Используют для зтага магнитную ннлукпкю. Эти рыбы (акулы и скаты) воспринимают электрические коля с помошыо проводящих каналов (каналы ампул Лореиииик), которые соединяют ПОры ка коже с чтвствительиыми к напряжению клетками (электрорецепторамн), расположеииыми глубоко в теле рыбы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
