Биогенный магнетит и магниторецепция. Новое о биомагнетизме. Том 1 - Киршвинк Дж.
ISBN 5-03-001274-5
Скачать (прямая ссылка):
4. Чувствительность к изменениям поля
После того как было обнаружено, что в организме у пчел и голубей содержится магнетит, и были проведены измерения низкотемпературной индуцированной остаточной намагниченности, стало ясно, что эти небольшие животные содержат очень много (~ 10° I08) однодоменных кристаллов магнетита. Это гораздо больше, чем требуется для детектирования магнитного поля Земли. С чем это связано?
Изучение поведения животных показывает, что мигрирующие птицы и пчелы чувствительны не только к полю порядка 0,5 Гс, но и к его изменениям, составляющим всего лишь 0,01% от среднего поля. Например, у голубей нарушается способность к ориентации при наличии естественных магнитных аномалий, напряженность поля в которых составляет 0,01-10%) от средней величины (Walcott, 1978, 1980). На ориентацию голубей влияют также магнитные бури (Moore, 1977; Schrei-ber, Rossi, 1978). Некоторые мигрирующие птицы изменяют направление своего полета под влиянием искусственных изменений локального поля (Larkin, Sutherland, 1977). Мартин и Линдауер (Martin, Lindauer, 1977) обнаружили, что танец у пчел изменяется во время магнитных бурь. Было высказано предположение (Kirschwink, Gould, 1981; Yorke, 1981), что для определения малых изменений напряженности поля и/или его направления, имеющих место во время магнитных бурь, пчелам необходимо дополнительное количество магнитного материала. Улавливая такие изменения, животные получают дополнительную полезную ин-
формацию об окружающей среде. Они могут использовать магнитное поле не только для ориентации.
Известно, что у голубей чувствительность к малым изменениям поля проявляется при других условиях, чем чувствительность к направлению среднего поля. Взрослые голуби, к головам которых прикреплены индукционная катушка или постоянный магнит, изменяют направление своего полета по пути домой только в облачную погоду (Keeton, 1971); в солнечный день они предпочитают ориентироваться по солнцу. Однако при очень малых изменениях поля они сбиваются с пути при любых мотдпых условиях. Возникло предположение, что голуби используют млпнпное поле двумя способами (и, возможно, имеют два разных набора рецепторов). Если небо затянуто облаками, магнитное поле используется как компас (а у молодых птиц, возможно, как некий калибровочный стандарт). В любую погоду малые изменения поля используются птицей как карта для определения местоположения. Данные «за» и «против» гипотезы использования магнитного поля голубями для ориентации суммированы в работе (Gould, 1972).
Для рецепции малых локальных изменений поля животное может суммировать сигналы от многих детекторов. Предположив, что детекторы представляют собой свободно вращающиеся магнетитные гранулы, Киршвинк и я оценили число гранул, необходимое для достижения наблюдаемой чувствительности. Для этого мы использовали результаты измерений остаточной намагниченности. По нашим оценкам, эти числа достаточно велики. Рассмотрим вкратце ход наших рассуждений.
Предположим, что сигнал от отдельного детектора подчиняется некоторому распределению вероятностей; средняя амплитуда сигнала равна а дисперсия 8г2. Характер распределения вероятностей зависит от магнитного поля и устройства детектора. Например, в случае свободно вращающейся гранулы вероятность P(Q, ц>)сЮскр того, что гранула ориентирована в малом телесном угле d()d<p (где 0 отсчитывается от направления поля), задается распределением Больцмана
Именно это распределение мы использовали при вычислении функции Ланжевена, входящей в уравнение (1). Если имеется N детекторов, то суммарный сигнал при больших N описывается нормальным распределением со средним значением Nr и дисперсией Nbr2. Изменение магнитного поля приводит к изменению средней амплитуды сигнала от г до г + Аг. Такое изменение можно отличить от статистической флуктуации, если NAr превышает среднеквадратичное отклонение, т.е. если
Аг > (Ar2/N)112. Если отклик зависит от ориентации магнетитной гранулы относительно направления поля и в рецепции участвует некая
/’(0, ф)йШср =
ехр (\iB cos Q/kT) sin QdQd<p
структура (например, мембрана в модели «короткого замыкания мембраны»), то 5г2 пропорционально Д02, что в свою очередь при ^iB/kT> 1 равно примерно 2кТ/\хВ. Отсюда следует, что изменение ориентации поля может быть зарегистрировано, если компонента АВ, перпендикулярная исходному направлению поля, удовлетворяет условию
Д0 ж ^ « (2kT/\xBN)1'2,
откуда при АВ/В = 10“3 и \хВ/кТк 1 получаем N > (2kT/\iB) (В/АВ)2 « * 106. Такая же оценка была получена в предположении, что рецепторы чувствительны к изменениям только величины поля (Kirschvink, 1981). Кроме того, Киршвинк и Гоулд (Kirschvink, Gould, 1981) показали, что при повторных независимых измерениях, разделенных интервалами времени t, много большими, чем т- время переориентации гранул (см. выше), эффективное число измерений возрастает от N до Nt/x.
Для оценки условий, необходимых для рецепции малых изменений поля, мы использовали модель свободно вращающихся магнетитных гранул, но аналогичное рассмотрение (с несколько другими параметрами и функцией распределения вероятностей) применимо и для других моделей. Какой бы тип детектора ни использовался в случае «чувства карты» у птиц, а также для восприятия малых изменений поля у пчел, животное должно иметь много таких детекторов.
