Миграция птиц известна человечеству испокон веков. Перелетные птицы регулярно летают между районами гнездования и зимовок, преодолевая расстояния до 4000 километров, не сбиваясь с пути. В последние десятилетия в среде ученых укрепилось мнение, что птицы ориентируются по магнитному полю Земли, но механизм этой способности до начала XXI века оставался неизвестным.
Радикальный механизм
В 2000 году Клаус Шултен и его коллеги из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейн предложили механизм, который мог бы объяснить эту способность птиц. Они предположили, что ключевым моментом магниточувствительности птиц стала реакция между двумя радикалами, вероятность протекания которой зависит от ориентации внешнего магнитного поля. Одним из участников этой реакции, по предположению команды Шултена, выступает фоторецептор криптохром, присутствующий в глазу птицы. В зависимости от того, протекает ли реакция криптохрома со вторым радикалом, он переходит либо не переходит в «сигнальное» состояние, и птица либо получает визуальный сигнал о «правильном» направлении, либо нет.
Общее название для группы белков, обнаруженных в растениях и глазах птиц и других животных. Криптохром является фоторецептором, воспринимающим «синий» свет.
Проблема заключалась в поиске партнера криптохрома по данной реакции. Его чувствительность к магнитному полю должна быть очень высока, чтобы реагировать на столь слабое магнитное поле, как поле Земли. Органические молекулы на эту роль не подходят – они слишком сложны, чтобы быстро реагировать на изменение магнитного поля. Зато требованиям, предъявляемым ко второму участнику реакции, удовлетворяла молекула кислорода, которая переходит из низкоэнергетичного основного или триплетного состояния в высокоэнергетичное синглетное при изменении направления внешнего магнитного поля. Реакционная способность синглетного кислорода значительно выше, благодаря чему он может принимать участие во многих химических реакциях, в которых триплетный кислород остается неактивен.
Суперагент O2−1
Но дело в том, что молекулярный кислород – не радикал. Несмотря на то что он удовлетворяет требованиям по чувствительности к магнитному полю, в реакции пары радикалов, которая лежала в основе механизма, предложенного Шултеном, принимать участия он не может. Но выход нашелся. «Мы предположили, что партнер реакции – это не мягкий молекулярный кислород, которым мы все дышим, а его близкий родственник супероксид — отрицательно заряженная молекула кислорода».
Автором этой идеи стал не сам Шултен, а его коллега и ученик Илья Соловьев из Франкфуртского института передовых исследований. Физик Соловьев упустил из вида, что супероксид токсичен, и этот реагент показался ему идеальным участником биохимического процесса, происходящего в паре с криптохромом в глазу птицы.
Токсичность как преимущество
Когда Соловьев рассказал о своих догадках Шултену, тот поначалу отнесся к этой идее с пренебрежением.
«Но затем я осознал, что токсичность супероксида может быть решающим фактором для выполнения рассматриваемой задачи, — рассказал Клаус Шултен. — У тела есть масса механизмов для уменьшения концентрации супероксида, чтобы сопротивляться его разрушающему эффекту. Но ведь именно в этом преимущество. Ведь для эффективной работы биохимического компаса участники соответствующей реакции должны присутствовать именно в низкой концентрации, но не слишком».
Собственно токсичностью и участием в процессе клеточного старения супероксида, который необходим для реакции, позволяющей «видеть» магнитное поле, может объясняться отсутствие способности к магнитоориентации у людей и многих других животных, в том числе и неперелетных птиц. В наших глазах и в глазах всех этих животных тоже есть криптохром, однако магнитного поля мы не чувствуем. Возможно, что эволюция всех этих видов предпочла долголетие способности к магнитоориентации.
Результаты работы ученых опубликованы в журнале Biophysical Journal.