A vándormadarak a Föld mágneses tere segítségével tájékozódnak. Ez azt jelenti, hogy valamiképp képesnek kell lenniük a Föld mágnesességének érzékelésére. Az azonban még mindig rejtély, hogy mi ennek a biológiai alapja. Egy új vizsgálat szerint a vörösbegyek retinájában lévő egyik fehérje alkalmas lehet a mágnesesség érzékelésére.
Az élőlények az érzékelőrendszereiken keresztül tartják a kapcsolatot a külvilággal. Ezek a rendszerek valamiféle külső hatás következtében jelet képeznek, amely az idegrendszer számára feldolgozható. Az érzékelőrendszerekben kialakuló idegi aktivitás összefüggésben van valamilyen külső hatással, ezért az érzékelőrendszerek működésének vizsgálata viszonylag egyszerű (más agyi funkciók vizsgálatához képest), az érzékelőrendszerek működését értjük a legjobban az idegrendszer tevékenységéből. Ettől függetlenül ezen a területen is bőven van még mit felfedezi. A magnetorecepció, vagy magnetocepció például a mai napig egy nagy talány.
Számos állatfaj van, amely óriási távolságokat tesz meg, hogy elkerülje a hideget, táplálékot találjon, vagy éppen összegyűljön fajtársaival például szaporodás céljából. Ezek közül a legismertebbek a vándormadarak, mint például a fehér gólya vagy a vörösbegy. Ugyanakkor óriási távolságokat tesznek még meg a pompás királylepkék, a tengeri teknősök és a lazacok is. Ezek a fajok feltehetőleg mind a Föld mágnesességének érzékelésével találják meg a megfelelő irányt vándorlás közben.
Hogyan érzékelik az állatok a mágneses tereket?
Annyi tehát biztos, hogy a mágnesesség érzékelésére több állatfaj is képes, a kérdés csak az, hogyan. Jelenleg két fő elképzelés van arról, hogyan lehetséges a mágneses terek érzékelése, vagyis a magnetocepció. A folyamat alapja minden bizonnyal az, hogy a mágnesesség hatására jel alakul ki az idegrendszerben. Az idegrendszer jelképzése az idegsejtek membránjában lévő ioncsatornákon alapul, ezeknek kell kinyílnia hozzá.
Az egyik elképzelés szerint a mágnesesség érzékelésének feltétele, hogy magnetit (Fe3O4) kristályok legyenek valahol a szövetben. Ezek a kristályok a test elfordulásakor elmozdulnak a mágneses viszonyoknak megfelelően, ami elmozdíthatja bizonyos idegsejtek nyúlványait. Ezekben a nyúlványokban klasszikus mechanoreceptorok nyitnak ioncsatornákat az elmozdulás hatására. Magnetit kristályokat már több élőlényben is kimutattak, azonban egyelőre nincs egyértelmű bizonyíték arra, hogy valóban ezek közbenjárásával történne a magnetocepció.
A másik elképzelés a kriptokrómokat, egy fehérjecsaládot feltételez a magnetocepció hátterében. A kriptokrómok fényérzékeny fehérjék. A megfelelő hullámhosszú foton elnyelését követően a kriptokróm gerjesztett állapotba kerül és a mágneses tér irányultsága befolyással van arra, hogy ezután mi lesz a molekula sorsa. Végeredményben a gerjesztett állapotban lévő kriptokkrómból kialakuló molekula koncentrációja összefüggésben van azzal, hogy az állat milyen irányban helyezkedik el a Föld mágneses terében. Egyelőre ezt a hipotézist sem támogatják egyértelmű bizonyítékok.
A két elképzelés egyébként nem feltétlenül zárja ki egymást. Egyes kutatók felvetették, hogy a magnetit talán a lokális mágneses terek érzékelésében játszik szerepet, míg a kriptokrómok a Föld mágnesességének érzékelésével segítik a tájékozódást.
A kriptokrómok biológiai funkciói
A kriptokrómok fényérzékeny fehérjék, melyek megtalálhatók növényekben és állatokban is. A növények esetében a fototropizmusban van szerepük, vagyis a növények fény felé tartó növekedésében. Az állatoknál a napszaki ritmusok szabályozásáért felelnek. Néhány éve azonban kiderült, hogy az egyik kriptokróm fehérje (CRY4) sejteken belül mérhető mennyisége nem mutat napszaki ingadozást. Ez arra utal, hogy nem a cirkadián ritmusok szabályozásában játszik szerepet, tehát elképzelhető, hogy más szerepe van.
A fehérje a bankivatyúk (a házi tyúk őse) és a vörösbegy retinájában is megtalálható. A tyúk nem vándorol, míg a vörösbegy igen. A tyúknál azonban egész évben állandóan alacsony mennyiségben van jelen, míg a vörösbegynél a vándorlás időszakában megnövekszik a fehérje mennyisége. Ezek alapján merült fel a kutatókban, hogy ez lehet a magnetocepcióért felelős kriptokróm.
Az elképzelés alapja egyébként egy 1978-ban publikált felvetés. Schulten, Schwenberg és Wellen arról értekeztek, hogy a mágneses terekre érzékeny kémiai reakciók szolgálhatnak az állati magnetocepció alapjául. Ekkor azonban még nem ismertek olyan molekulát az élő szervezetben, amelynek reakciókészsége összefüggésben lenne a mágnesességgel. Ritz, Adem és Schulten azonban 2000-ben felfedezték, hogy a kriptokrómok a fény hatására szabadgyök párokat képeznek, melyek továbbalakulása függ attól, hogy milyen irányultságú mágneses térben vannak.
A vörösbegy kriptokrómja magnetoceptor lehet
Egy nemzetközi kutatócsoport a vörösbegy CRY4 nevű kriptokrómjának biofizikai tulajdonságait vizsgálta egy nagy szabású tanulmányban. A vizsgálataik kimutatták, hogy a kriptokróm a fény elnyelésének hatására olyan szabadgyök párt képez, amelyik kvantumállapotát jelentős mértékben befolyásolja a mágnesesség. Attól függően, hogy a szabadgyök pár milyen kvantumállapotban van, különböző átalakulások mehetnek végbe a molekulában.
A folyamat azzal kezdődik, hogy a kriptokróm molekula elnyel egy fotont, amely gerjeszt egy elektront. Ez az elektron a molekula egyes részeire átugrálva végső soron a kriptokróm flavin-adenin-dinukleotid (FAD) kofaktorára kerül. A gerjesztett elektron és a párja alkotják a szabadgyök párt a kriptokrómon. Amennyiben a két gyök, korábban párban álló elektronjai ellentétes kvantumállapotban vannak, akkor kriptokróm egyszerűen visszaalakulhat az eredeti állapotába, vagy a FAD kofaktor FADH gyökké redukálódik. Amennyiben a két gyök azonos kvantumállapotba kerül, akkor csak a FADH gyök jöhet létre, az eredeti forma nem.
A mágnesesség tulajdonképpen azt befolyásolja, hogy a szabadgyök pár két elektronja milyen kvantumállapotot vesz fel nagyobb gyakorisággal. A mágneses térhez viszonyított elhelyezkedés megváltozása megváltoztathatja a kriptokrómok szabadgyök párjainak kvantumállapotait (pontosabban azok időbeli eloszlását), ezáltal pedig hatással van a gerjesztés eredményeképp kialakuló molekulák relatív mennyiségére. Így tehát, a mágneses térhez viszonyított helyzet egy bizonyos vegyület (FADH-t tartalmazó CRY4) koncentrációját befolyásolja, ez pedig feltehetőleg hatással lehet más fehérjékre az idegsejtben, akár ioncsatornákra is. Végső soron tehát így képezhet neurális jelet a mágnesesség az idegrendszerben az új eredmények szerint.
A magnetocepció talánya továbbra is megoldásra vár
A nemzetközi kutatócsoport számos korszerű vizsgálattal bizonyította, hogy a vörösbegyek retinájában található kriptokróm (CRY4) alkalmas lehet a Föld mágneses terének érzékelésére. A vizsgálatokat azonban kivétel nélkül az izolált fehérjén végezték, vagyis az eredmények alapján nem állítható teljes bizonyossággal, hogy az élő szervezetben is hasonlóképp viselkedik a CRY4.
Érdekes belegondolni, hogy az eddig felvázolt folyamat tulajdonképpen csupán a magnetocepció első lépése. Olyan, mint amikor a retina fényérzékeny sejtjeiben a beérkező fotonok hatására alakul ki membránpotenciálváltozás. A magnetocepció további idegrendszeri folyamatai egyelőre nem ismertek. Vajon milyen agyterületek vesznek részt a mágnesesség alapján generált információ kielemzésében? Hogyan veti össze ezt az agy a többi érzékelőrendszerból származó információkkal? Számtalan hasonló kérdés vár még válaszra a magnetocepcióval kapcsolatban, de az új eredmények egy lépéssel közelebb hozták e bámulatos jelenség megértését.
Ez a cikkem az Élet és Tudomány 2021/30. számában, az Agyi aktualitások rovatban jelent meg.
Források
Long-distance navigation and magnetoreception in migratory animals | Nature
Unravelling the enigma of bird magnetoreception (nature.com)
Magnetic sensitivity of cryptochrome 4 from a migratory songbird | Nature
