Tajemství magnetorecepce

Schopnost používat magnetické pole Země jako vodítko pro orientaci v prostoru byla demonstrována u řady živočichů, včetně mnoha obratlovců. Tažní ptáci, poštovní holubi, mořské želvy, netopýři, kytovci, ale i hlodavci, včely, mouchy, langusty, blešivci nebo ploštěnky – ti všichni a mnozí další jsou schopni vnímat magnetické pole a informaci z něj získanou využít na svých tahových cestách nebo při každodenní orientaci. A to zvláště v situacích, kdy nejsou k dispozici jiná spolehlivá orientační vodítka.

Otázky a teorie

Potíž je v tom, že netušíme, kde přesně hledat magnetoreceptor. Protože magnetické pole bez omezení proniká celým tělem, mohl by být umístěn téměř kdekoli. Magnetoreceptory mohou být navíc velmi malé a roztroušené v tkáních nebo mohou mít podobu kaskády chemických reakcí ovlivněných magnetickým polem, takže orgán či dobře rozpoznatelná struktura zprostředkovávající vnímání magnetických polí nemusí vůbec existovat. A když chybí receptor, máme jen velmi omezené možnosti, jak studovat mechanismus vnímání magnetického pole. Teoretické studie proto významně předběhly studie experimentální. Z množství navržených modelů zde zmíníme dva všeobecně přijímané.

Slepá ulice

Nejsnáze představitelný je mechanismus založený na součinnosti biologicky syntetizovaného magnetitu s receptory vnímajícími mechanické podněty. Krystaly magnetitu o určité velikosti (přibližně 50 nm) se v magnetickém poli natáčejí ve směru tohoto pole. Krystaly mohou působit jako páky (torzní silou), případně tlakem na sekundární receptory, jako jsou volná nervová zakončení, vláskové buňky nebo kožní mechanoreceptory. Vnitrobuněčně umístěné krystalky magnetitu také mohou hypoteticky přímo otvírat či zavírat iontové kanály.

Celé řetízky takových částic byly nalezeny u mnoha vzájemně nepříbuzných bakterií. Tyto bakterie natáčejí své buňky po směru magnetického pole a tím udržují stálou orientaci buňky vzhledem k vrstvě bahna na dně, ve kterém žijí. Molekulární mechanismus, kterým bakterie magnetit syntetizují a ukládají do membránových váčků, je dobře znám.

Zjištění, že jsou bakterie schopné syntetizovat magnetit, spustilo hon na magnetitové částečky v živočišných tkáních. Domnělé magnetoreceptory obsahující krystalky magnetitu byly identifikovány v mnoha tkáních, například v čichové sliznici lososovitých ryb, ve škáře horní poloviny zobáku tažných ptáků nebo ve vnitřním uchu holubů. Tyto slibné výsledky však byly následně zpochybněny – jednalo se o kontaminace z laboratorního prostředí nebo o Fe3+ obsahující makrofágy mylně považované za magnetoreceptory. Navzdory tomu, že snahy o identifikaci magnetitových magnetoreceptorů zatím nebyly úspěšné, jejich roli ve vnímání magnetických polí podporují orientační pokusy. Krátký silný magnetický pulz (~ 5 ms, 0,5 T), který „přepóluje“ krystaly magnetitu, má výrazný a často dlouhotrvající efekt na orientaci hmyzu, korýšů, plazů, ptáků i savců.

Fotopigmenty

Mnohem hůř představitelný je mechanismus založený na chemických reakcích citlivých na magnetické pole. Na první pohled se zdá velmi nepravděpodobné, že by chemické reakce mohly být ovlivňovány tak slabým polem, jako je pole zemské. Energie magnetického pole Země je o mnoho řádů nižší než energie nutná k přenosu elektronu z jednoho orbitalu do druhého. Navíc je kinetická energie biomolekul za fyziologických teplot asi o 11 řádů vyšší než energie zemského pole. Je proto dobrý důvod předpokládat, že tepelný pohyb molekul zcela vyruší vliv tak slabého pole.

Nicméně i slabá magnetická pole mohou ovlivňovat velmi specifické chemické reakce. Přesněji řečeno chemické reakce, při kterých dochází k tvorbě tzv. radikálových párů. V organismech vznikají radikálové páry nejčastěji ve fotopigmentech jako důsledek interakce s fotonem. Energie fotonu vyzdvihne elektron z nejvyššího obsazeného orbitalu na nejbližší vyšší volný orbital. Takto vybuzená molekula pak může předat svůj elektron jiné, akceptorové molekule a vytvoří s ní tzv. radikálový pár.

Nadějné testy

Radikálové páry jsou velmi reaktivní a jejich vznik zpravidla vede ke kaskádě dalších reakcí. Osud radikálového páru závisí na řadě faktorů, včetně polohy radikálového páru vůči vnějšímu magnetickému poli. Magnetické pole tak může posunout rovnováhu reakce i její výtěžek ve prospěch jedné z možných drah. Jedinými fotopigmenty, o kterých víme, že se vyskytují v sítnici živočichů a tvoří radikálové páry, jsou kryptochromy. S pochopitelných důvodů se tedy staly horkými kandidáty na hledané „magnetosenzorické“ molekuly.

A vskutku, u hmyzu bylo prokázáno, že jejich experimentální odstranění vede ke ztrátě schopnosti vnímat magnetické pole. Pro obratlovce podobné přímé důkazy zatím chybějí, nicméně nepřímých důkazů pro „chemickou magnetorecepci“ přibývá. Magnetická orientace ptáků je závislá na intenzitě a vlnové délce světla a lze ji rušit velmi slabými radiovými vlnami o frekvenci 0,1–10 MHz, o kterých je známo, že ovlivňují reakce radikálových párů. Magnetická orientace vede k aktivaci specifických částí zrakového systému a selektivní zničení těchto oblastí vede k neschopnosti ptáků používat magnetický kompas.