Магнитное поле Земли птицы чувствуют не глазами — открытие в Мюнхене удивило даже биологов

Голуби использовали внутреннее ухо для магнитной навигации — LMU Мюнхена

Эксперименты с 27 голубями в Мюнхене показали, что способность ощущать магнитное поле Земли может быть связана не со зрением, а с внутренним ухом. Учёные обнаружили, что мельчайшие электрические сигналы возникают при движении жидкости в органах равновесия и далее передаются в навигационные центры мозга. Это открывает новый взгляд на то, как птицы ориентируются в пространстве даже в полной темноте. Об этом сообщают исследователи из Мюнхенского университета Людвига Максимилиана.

Что такое магниторецепция

Магниторецепцией называют способность живых существ воспринимать магнитное поле Земли и использовать его для ориентации. Этот феномен обнаружен у многих животных — от насекомых до морских черепах и перелётных птиц.

Для птиц магнитное чувство особенно важно во время дальних перелётов, когда облака закрывают Солнце и звёзды, а привычные ориентиры исчезают. Однако долгое время оставалось неясным, где именно магнитный сигнал превращается в нервный импульс, доступный мозгу.

Две конкурирующие гипотезы

Одна из ведущих теорий связывает магнитное чувство с криптохромами — светочувствительными белками в сетчатке глаза. Согласно этой модели, магнитное поле влияет на реакции связанных электронов, а зрительная система интерпретирует изменения как направление.

Другая гипотеза делает ставку на магнетит — микроскопические кристаллы оксида железа, которые могут реагировать на магнитные силы и механически воздействовать на чувствительные структуры. Подобные идеи перекликаются с исследованиями того, как животные используют сложные физические сигналы, включая акустические и поведенческие механизмы у хищников.

Почему внимание вернулось к внутреннему уху

Ранее считалось, что магниточувствительные структуры могут находиться в клюве голубей, однако в 2012 году выяснилось, что богатые железом клетки там являются макрофагами — элементами иммунной системы. Это заставило учёных искать другие кандидаты.

Фокус сместился к вестибулярной системе внутреннего уха, которая отвечает за чувство равновесия и движения. Она состоит из трёх полукружных каналов, заполненных жидкостью, реагирующей на повороты головы.

Ещё более века назад высказывалось предположение, что движение проводящей жидкости через магнитное поле может вызывать слабые электрические токи — эффект электромагнитной индукции.

Ранние нейронные подсказки

В 2012 году исследователи зафиксировали нейроны в стволе мозга голубей, реагирующие на направление и силу магнитного поля. Эти клетки располагались в вестибулярных ядрах, которые получают сигналы от внутреннего уха.

Позднее, в 2019 году, расчёты показали, что обычные движения головы птицы способны генерировать напряжения, достаточные для активации чувствительных ионных каналов в ушных клетках. Однако до недавнего времени не хватало прямой карты пути сигнала в мозге.

Как был устроен эксперимент

Новое исследование под руководством Дэвида А. Кейса из LMU объединило картирование активности всего мозга и детальный анализ клеток внутреннего уха. В экранированной комнате учёные компенсировали фоновое магнитное поле и затем создавали управляемый сигнал силой около 150 микротесла.

Активность нейронов отслеживали с помощью гена c-FOS, который "подсвечивает" недавно работавшие клетки. Важно, что эксперимент проводился в темноте, и активные зоны мозга оставались теми же, что противоречит гипотезе зрительного магнитного компаса.

Путь магнитного сигнала в мозге

Сначала магнитная стимуляция активировала вестибулярные ядра, затем сигнал распространялся в мезопаллиум — область, интегрирующую разные чувства. Далее он достигал гиппокампа, ключевого центра пространственной памяти и навигации.

Остальные области мозга реагировали слабо, что указывает на специализированную цепь, а не на общий стрессовый отклик. Такой избирательный путь напоминает другие примеры тонкой сенсорной настройки в биологии, включая исследования химических сигналов у социальных насекомых.

Какие клетки играют ключевую роль

В полукружных каналах находятся волосковые клетки — сенсоры, преобразующие механические воздействия в нервные импульсы. Секвенирование РНК на уровне отдельных клеток показало, что один из их типов содержит особенно много потенциалзависимых ионных каналов.

Такая конфигурация делает клетки чувствительными не только к механическому изгибу, но и к слабым электрическим токам, возникающим при движении жидкости в магнитном поле.

Движение и магнетизм

Обычно повороты головы изгибают желатиновый купол в каналах, вызывая сигнал равновесия. Индукция добавляет второй слой информации: даже без механического сдвига электрический заряд может перераспределяться, создавая уникальный паттерн.

Мозг, вероятно, способен отличать такой сигнал от обычного движения и интерпретировать его как информацию о магнитном поле.

Сравнение: зрительный и вестибулярный компас

Зрительная модель требует света и зависит от фотохимических реакций. Вестибулярная индукция работает в полной темноте и опирается на движение и проводимость. Это допускает существование у птиц сразу нескольких магнитных "инструментов", используемых в разных условиях.

Ограничения и открытые вопросы

Наблюдаемая активация нейронов ещё не доказывает, что голуби применяют этот механизм в природе. Неясно, сохранится ли ориентация, если работу полукружных каналов нарушить.

Также возможно, что разные виды используют разные стратегии магнитного восприятия, и внутреннее ухо — лишь один из вариантов.