Возможно, люди способны ощущать магнитное поле

Рис. 1. Человеческий криптохром позволяет дрозофилам ориентироваться в магнитном поле. По вертикальной оси — индекс предпочтения магнитного рукава немагнитному. Белые и красные столбики означают реакцию мух на магнитное поле в «наивном» состоянии, а черные и зеленые — в тренированном. Черные и белые столбики относятся к экспериментам с криптохромом дрозофил, а зеленые и красные — с человеческим криптохромом. Цифры внутри столбиков обозначают количество групп мух, участвовавших в исследовании. Видно, что магнитное поле могут распознавать и мухи дикого типа (Canton-S), и те, которых искусственно заставили экспрессировать их собственный криптохром (tim-GAL4/UAS-dcry), и те, которые экспрессируют человеческий криптохром (tim-GAL4/UAS-hCRY2). Только отсутствие криптохрома как такового (UAS-hCRY/+) не позволяет мухам ощущать магнитное поле. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature Communications

Магниторецепция — то есть способность ощущать магнитное поле — характерна для многих животных. В 1980 году известный ученый и популяризатор науки Робин Бекер (Robin Baker) опубликовал (и не где-нибудь, а в журнале Science) статью, в которой доказывалось, что и человек обладает магниторецепцией. Статья произвела настоящий фурор, и множество ученых попробовали повторить эксперименты Бекера — но неудачно. Результаты этих экспериментов не воспроизводились; научная репутация Бекера серьезно пострадала, а исследование магниторецепции у человека остановилось на долгие годы. Однако в последнее время в научном сообществе вновь пробудился интерес к этой теме. И вот недавно были получены данные, которые косвенно свидетельствуют о существовании магнитного чувства у человека.

Способы определения магнитного поля очень разнообразны у различных живых существ — от клеточных органелл магнитосом (см. magnetosome) у бактерий до магнетит-содержащих структур в верхней части клюва птиц. А некоторое время назад начал бурно изучаться еще один вид магниторецепции — химический. Суть его в следующем.

Представим себе, что у нас есть две близкорасположенные молекулы (или две части одной молекулы) AB. По какой-то причине (скажем, под действием света определенной длины волны), A теряет один из электронов и он попадает на B. Мы получаем два неспаренных электрона (один — оставшийся на A, а второй — перепрыгнувший на B), чьи спины могут быть противоположно направлены (↑↓) или однонаправлены (↑↑). Каждый спин порождает определенный магнитный момент, а значит, судьба получившихся молекул зависит от магнитного поля. В зависимости от его силы и направления произойдет либо восстановление первоначальной структуры AB, либо возникнет «магниторецептивная» сигнальная форма C. Эта сигнальная форма вызовет какие-то каскады реакций, которые «сообщат» клетке (а вслед за ней и организму) о том, каково магнитное поле в данной точке. Реакции такого типа называются «реакциями пар радикалов».

За загадочным сочетанием AB, использованным в нашем схематическом описании реакции, скрывается очень известный белок по имени криптохром (см. также Cryptochrome), который знаменит своим участием в регуляции циркадных ритмов у животных и растений. (Кстати, существование криптохрома — на основании чувствительности растений к синему свету — первым заподозрил Чарльз Дарвин). Существуют два типа этого белка. Криптохром первого типа встречается только у беспозвоночных и регулирует суточные ритмы светозависимым способом; криптохром второго типа характерен и для позвоночных и для беспозвоночных и, судя по всему, регулирует суточные ритмы светонезависимо.

Получено довольно много данных о том, что оба типа криптохрома обеспечивают магнитное чувство у некоторых видов животных. Например, показано, что мушки дрозофилы, у которых был «выключен» характерный для них криптохром первого типа, теряют магнитное чувство; если же заставить их заново экспрессировать их собственный криптохром первого типа (или даже криптохром второго типа бабочки монарха, который для дрозофил вовсе не характерен), они снова становятся чувствительными к магнитному полю.

У человека в сетчатке тоже есть криптохром второго типа, но до сих пор не было изучено, способен ли он опосредовать магнитное чувство или нет. Чтобы проверить это, исследователи из Медицинской школы Массачусетского университета провели серию опытов, в которых заставляли дрозофил с выключенным CRY1 экспрессировать человеческий криптохром и смотрели, как это отразится на способности мушек определять магнитное поле.

Для того, чтобы включать и выключать экспрессию различных генов у дрозофил, существует замечательная методика под названием GAL4/UAS. По этой методике экспрессия нужного гена происходит только тогда, когда в одном мушином организме встречаются две половинки экспрессионной системы — транскрипционный активатор GAL4 и участок промотора UAS. При этом GAL4 присутствует не во всём организме, а только в строго определенных областях. Например, в данном случае GAL4 был привязан к гену Timeless (tim), который экспрессируется только в нейронах, обеспечивающих циркадные ритмы.

У человека есть два подвида криптохрома второго типа — hCRY1 и hCRY2. В данных исследованиях изучался только hCRY2, поскольку он экспрессируется в гораздо больших количествах, чем hCRY1 (а значит, скорее всего, имеет гораздо большее значение для предполагаемого магнитного чувства).

Исследование магнитного чувства у дрозофил отточено в предыдущих экспериментах. Для этого мух запускают в Т-образный лабиринт, в одном из рукавов которого магнитное поле гораздо сильнее, чем в другом. В этом «магнитном» рукаве помещается раствор сахара, который дрозофилы очень любят. Если у мух есть магнитное чувство, то в «наивном», необученном состоянии они будут избегать магнитного рукава, а в обученном — наоборот, стремиться к нему, поскольку там их ждет подкрепление. Если же у мух нет магнитного чувства, то они будут почти равномерно разлетаться между двумя рукавами. Подсчитав количество мух в одном и другом рукаве лабиринта, нужно вычислить индекс предпочтения магнитного рукава по формуле (P_M – 0,5)/0,5, где P_M — это доля мух, находящихся в магнитном рукаве лабиринта.

Исследователи провели эксперименты в Т-образном лабиринте с мухами следующих четырех линий:

    1. Дикий тип (эта мушиная линия называется Canton-S).

    2. Мухи с выключенным криптохромом, которых заставили снова экспрессировать их «родной» дрозофилий криптохром с помощью GAL4/UAS (tim-GAL4/UAS-dcry).

    3. Мухи с выключенным криптохромом, которых заставили экспрессировать с помощью GAL4/UAS человеческий криптохром hCRY2 (tim-GAL4/UAS-hCRY2).

    4. И наконец, мухи с выключенным криптохромом, который так и не был включен обратно (UAS-hCRY/+).

И вот оказалось, что человеческий криптохром позволяет мухам ощущать магнитное поле почти так же хорошо, как их родной, мушиный, криптохром.

Поскольку криптохром — это флавопротеин, чувствительный к синему свету, то в следующем эксперименте исследователи решили проверить, пропадет ли у мух с человеческим криптохромом магнитное чувство, если тестировать их в отсутствие синего света. Иными словами, светозависима магниторецепция, обеспечиваемая человеческим криптохромом, или нет?

Исследователи протестировали мух с человеческим криптохромом в разных условиях: при освещении полным световым спектром; при освещении светом с длиной волны более 500 нм и при освещении светом с длиной волны более 400 нм (флавин показывает чувствительность к свету с длиной волны 450 нм). Результаты свидетельствовали о том, что, по крайней мере у дрозофил, опосредованная человеческим криптохромом магниторецепция зависит от синего света (см. рис. 2).

Рис. 2. Распознавание человеческим криптохромом магнитного поля зависит от синего света. При освещении светом, в котором нет синей составляющей (>500 нм), магнитное поле не распознается. Full spectrum — полный спектр. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature Communications

Результаты полученных экспериментов говорят о том, что человеческий криптохром может обеспечивать магниторецепцию. Однако обеспечивает ли он ее на самом деле у человека или нет, то есть чувствителен ли человек к магнитному полю, — всё равно остается открытым вопросом. Тема нуждается в дальнейших исследованиях, и, наверное, учитывая светочувствительность человеческого криптохрома, стоит сосредоточиться на влиянии магнитного чувства на зрение, а не на невизуальных эффектах магнитного поля.

Источник: Lauren E. Foley, Robert J. Gegear, Steven M. Reppert. Human cryptochrome exhibits light-dependent magnetosensitivity // Nature Communications. V. 2. Article number: 356. 21 June 2011.

Вера Башмакова