Перелетные птицы используют для навигации магнитный компас в глазу. Его основные сенсорные механизмы долгое время оставались неуловимыми, но теперь исследователи выяснили, где именно в глазу у птиц находится центр управления навигацией.
Перелетные птицы преодолевают большие расстояния, перемещаясь между местами гнездования и зимовки.
Наблюдения за перелетными птицами были впервые зарегистрированы древними греками более 3000 лет назад, и долгое время было одной из величайших загадок Природы, как они находят свой путь, отправляясь в путешествие на тысячи километров.
В 2000 году исследователи предположили, что белок в птичьем глазу помогает им получать информацию от света и преобразовывать ее в курс путешествия: внутренний магнитный компас. С тех пор основные сенсорные механизмы, лежащие в основе этой магниторецепции, оставались неясными.
Исследования европейской малиновки
Чтобы разгадать загадку, исследовательская группа Университета Южной Дании объединила усилия с коллегами из Университета Ольденбурга, Германия.
Команда провела серию исследований и симуляций, которые раскрывают детальное положение и природу внутреннего компаса. Их работа включает изучение европейских малиновок (Erithacus rubecula), секвенирование и компьютерную микроскопию глаз птиц.
"Мы считаем, что у нас есть веские доказательства, чтобы определить правильную молекулу магниторецептора у перелетных птиц", - сказал Илья Соловьев, доцент Университета Южной Дании.
Исследование опубликовано в журнале Current Biology.
Птицам нужен свет для их внутреннего компаса
Илья Соловьев - физик-теоретик, специалист по вычислительной биофизике и глава группы квантовой биологии и вычислительной физики Университета Южной Дании.
Чувство магнитного компаса у перелетных птиц зависит от света, и мы хотели выяснить, какой белок играет роль. Теории вращались вокруг так называемых криптохромов, но эти загадочные белки бывают самых разных вариаций - так какой?», - сказал он. Криптохромы принадлежат к большой группе белков, встречающихся во всех живых организмах от растений до животных. У растений и различных видов животных они участвуют, среди прочего, в циркадных часах и помогают растению или животному различать ночь и день. У млекопитающих они в норме локализуются в ядрах клеток.
Химическая реакция, на которую влияет направление магнитного поля Земли
На сегодняшний день в сетчатке нескольких видов птиц обнаружено четыре различных криптохрома. Исследователи заключают, что три из них не имеют отношения к магниторецепции.
"Но четвертый, Cry4, кажется, значительно отличается от членов своей семьи", - сказал Илья Соловьев.
Когда свет попадает на криптохромы в глазах перелетной птицы, они подвергаются химическим реакциям, на которые влияет направление магнитного поля Земли, обеспечивая сигнал об ориентации птицы.
Высшая молекулярная активность во время миграционных сезонов
В своей лаборатории экспериментальные исследователи из Ольденбурга в Германии под руководством профессора Хенрика Моуритсена сравнили уровни экспрессии криптохромов во время весеннего и осеннего миграционных сезонов по сравнению с немигрирующими сезонами у европейских малиновок.
Они обнаружили, что уровень экспрессии Cry4 в сетчатке глаза европейской малиновки значительно выше во время миграционного сезона по сравнению с немигрирующим сезоном.
"Это убедительный показатель того, что ответственным белком действительно является криптохром 4."
20 000 часов работы за компьютером
Исследователи определили структуру и локализацию Cry4 в сетчатке глаза. Они секвенировали сетчатку глаза мигрирующей европейской малиновки Cry4 и использовали ее для предсказания структуры белка Cry4.
Эта работа потребовала примерно 20 000 узловых часов на суперкомпьютере ABACUS в SDU, а это означает, что если они будут запускать симуляции на одном вычислительном узле (который имеет 24 процессора), это потребует 20 000 часов. Если бы ту же работу проделывали на обычном ноутбуке, это заняло бы 15 лет.
«Структура Cry4 уникальна. В ней есть структурные мотивы, которые хорошо согласуются с косвенными измерениями и демонстрируют явные отличия от других криптохромов растений и насекомых», - сказал Илья Соловьев.
Более того, было обнаружено, что Cry4 специфически экспрессируется в одной очень специфической части сетчатки; а именно внешний сегмент фоторецепторных клеток с двойным конусом.
Эти новые знания могут помочь защитить дикую природу
Внутренние компасы есть не только у перелетных птиц, но и у других животных, таких как пчелы.
Понимание этих внутренних компасов у животных может дать нам фундаментальные знания о природе, и, возможно, мы сможем использовать их для защиты дикой природы. Многие птицы погибают на ветряных мельницах, потому что их беспокоит турбулентность вокруг мельниц. Если мы знали, какие магнитные поля существуют вокруг мельниц, возможно, мы могли бы построить какую-то защитную зону вокруг мельниц», - сказал Илья Соловьев.
Группа квантовой биологии и вычислительной физики (QuantBioLab) в SDU: Особый интерес представляют те биологические процессы, которые запускают преобразование энергии в формы, пригодные для химических превращений и являющиеся квантово-механическими по своей природе. К таким процессам относятся химические реакции, поглощение света, образование возбужденных электронных состояний, перенос энергии возбуждения, перенос электронов и протонов в химических процессах.