Долгое время считалось, что "компас" птиц находится в клюве или глазах, но новое исследование немецких ученых перевернуло эти представления
Голуби – удивительные птицы. На земле они могут казаться немного нелепыми со своей дерганой походкой и постоянными кивками, которые так веселят детей. Но в небе это настоящие гении навигации. Долгое время оставалось загадкой, как именно работает их внутренний "GPS", пока ученые не заглянули в неожиданное место – во внутреннее ухо птицы.
В ходе экспериментов с 27 голубями в Мюнхене, исследователи обнаружили, что магнитное чувство зарождается во внутреннем ухе, где движение генерирует крошечные электрические сигналы, пишет Earth.
Картирование мозга показало, что сигнал проходит от центров равновесия к областям, отвечающим за навигацию, что дает новое понимание того, как птицы находят дорогу.
Ученые называют эту способность магниторецепцией – ощущением магнитных полей для определения направления и положения в пространстве. Она встречается у многих групп животных. Для перелетных птиц эта дополнительная подсказка помогает управлять долгими перелетами, когда облака скрывают звезды, а знакомые ориентиры исчезают из виду.
Исследователи до сих пор спорят о том, где именно находится этот сенсор, поскольку магнитная информация должна превратиться в нервные сигналы, прежде чем мозг сможет ее использовать.
Один из обзоров описывает теорию "радикальных пар": двух связанных электронов, реакции которых зависят от магнетизма. Этот процесс происходит внутри светочувствительных белков криптохромов в глазу. Поскольку эти белки реагируют на свет, многие лабораторные исследования тестируют птиц при тусклом освещении, чтобы проверить, не "переключается" ли их компас.
Другая теория указывает на магнетит – природные кристаллы оксида железа, которые могут воздействовать на близлежащие рецепторы и запускать нервные импульсы.
Исследование 2012 года показало, что богатые железом скопления в клювах голубей на самом деле были макрофагами – иммунными клетками, которые утилизируют старую кровь. Этот результат не перечеркнул идею с магнетитом полностью, но предупредил ученых, что отложения железа могут ввести в заблуждение при тщательном изучении анатомии.
Поскольку версия с клювом стала менее надежной, внимание вернулось к внутреннему уху, которое уже связывает ощущения и движение. Вестибулярная система состоит из сенсоров равновесия внутреннего уха, отслеживающих движения головы. Система опирается на три заполненные жидкостью петли, называемые полукружными каналами.
Когда голова поворачивается, жидкость давит на желатиновый купол (купулу), изгибая сенсоры и позволяя мозгу измерять скорость вращения. Более ста лет назад ученые предположили, что движение сквозь поле Земли может индуцировать слабые токи в этой жидкости.
В 2012 году в научной работе было зафиксировано, как отдельные нейроны в стволе мозга голубя отслеживают направление и силу магнитного поля. Эти нейроны находились в вестибулярных ядрах – центрах ствола мозга, принимающих сигналы от внутреннего уха. Это намекало на то, что пути, отвечающие за равновесие, могут также нести магнитную информацию.
Ранние записи не позволили определить, какие клетки запускают сигнал, и не могли исключить наличие других сенсоров в иных местах.
Исследование 2019 года указало на электромагнитную индукцию – электричество, возникающее при движении через магнитное поле внутри полукружных каналов голубя. Исследователи подсчитали, что обычное покачивание головой может генерировать напряжение, достаточное для воздействия на чувствительные каналы ушных клеток. Эта идея построила мост от физики к биологии, но все еще требовала четкой карты мозговой цепи.
Последнее исследование возглавил доктор Дэвид А. Кейс из Мюнхенского университета имени Людвига-Максимилиана (LMU). Команда использовала картирование активности всего мозга у сизых голубей (Columba livia), а затем профилировала клетки уха по одной.
В экранированной комнате в LMU они обнулили фоновые поля, а затем вращали сигнал мощностью 150 микротесла в течение 72 минут. Ученые окрасили мозг на наличие c-FOS – гена, который помечает недавно активные нейроны, чтобы магнитное чувство оставило видимый след. В темноте загорались те же области мозга, что является аргументом против теории магнитного сенсора в сетчатке глаза, зависящего от света.
Магнитный стимул сначала активировал вестибулярные ядра, а затем достигал мезопаллиума – области мозга, которая объединяет множество чувств. Оттуда сигналы также поступали в гиппокамп – центр памяти о местах и маршрутах, что соответствует задачам навигации на большие расстояния.
Команда увидела мало изменений в остальной части мозга, что говорит о наличии целенаправленной цепи, а не глобальной реакции тревоги.
В полукружных каналах волосковые клетки – сенсоры внутреннего уха с ворсинками, запускающими нервные сигналы, – находятся под гелевой шапочкой. Команда использовала секвенирование РНК одиночных клеток, считывая, какие гены использует каждая отдельная клетка, чтобы сравнить типы волосковых клеток.
Один класс волосковых клеток содержал много потенциал-зависимых ионных каналов – белков, которые открываются при изменении электрического заряда, делая клетку чувствительной к индуцированным токам.
Обычное вращение головы изгибает купулу – желатиновый клапан, который отклоняется во время поворотов головы, и это производит сигналы равновесия. Индукция добавляет второй входной сигнал, потому что движение жидкости через магнитное поле может толкать заряженные частицы в противоположные стороны.
Когда купула остается неподвижной, но заряд смещается поперек нее, мозг может помечать этот паттерн как магнитную информацию.
В отличие от сенсоров на основе криптохромов, индукция может работать в полной темноте, так как она зависит от движения и проводимости, а не от фотонов света. Это различие намекает на то, что птицы могут иметь более одного магнитного инструмента, выбирая тот, который соответствует доступным условиям.
Полукружные каналы также реагируют во время сканирования головой, поэтому магнитные сигналы могут считываться, пока птица осматривает окрестности.
Нейронная активация пока не может доказать, что голуби используют этот сигнал в дикой природе, так как лабораторные поля и естественные сигналы могут взаимодействовать. Что произойдет, если заблокировать эти каналы в ухе – найдут ли птицы дом после этого?
Другие виды могут решать задачу магнетизма с помощью иного "оборудования", поэтому индукция во внутреннем ухе может объяснять способности некоторых навигаторов, но не всех.
Поле Земли меняется по силе и наклону, а его инклинация (угол, под которым оно уходит в землю) меняется с широтой. Если вестибулярная цепь считывает этот наклон, это может дать птице встроенный способ отличать направление к полюсу от направления к экватору. Интенсивность поля может добавить грубую подсказку о местоположении, так как сигнал становится сильнее в одних регионах и слабее в других.
Следующая задача – связать эти сигналы с реальными навигационными решениями: от первого импульса в ухе до поворота в полете. По мере того как команды тестируют других птиц и животных, результаты LMU предполагают, что внутреннее ухо может скрывать еще больше магнитных сенсоров.
Ранее УНИАН сообщал, какие животные целенаправленно охотятся на людей.