Птицы видят магнитное поле благодаря токсичной молекуле
Молекула, которую обычно связывают с повреждением клеток, старением и рядом заболеваний, играет ключевую роль в ориентации перелётных птиц по магнитному полю Земли. Такой вывод сделали Клаус Шультен (Klaus Schulten) из университета Иллинойса (University of Illinois at Urbana-Champaign) и Илья Соловьёв из Франкфуртского института передовых исследований (FIAS).
Ещё в начале века Шультен и его коллеги обнаружили, что некоторые химические реакции могут регулироваться даже слабым магнитным полем. Главное, чтобы эти реакции проходили достаточно быстро, успевая «почувствовать» влияние квантово-механических сил, сдвигающих в ту или иную сторону спин электронов, в свою очередь, перепрыгивающих тогда с молекулы на молекулу.
Основываясь на этом открытии, в 2000 году Клаус предположил, что белок криптохром (фоторецептор для синего света, который можно найти в глазах животных) играет главную роль в восприятии птицами геомагнитного поля. Мол, криптохром в глазах птиц откликается на перемену направления силовых линий, посылая визуальный сигнал в кору мозга.
«До нашей работы считалось невозможным, чтобы магнитное поле влияло на химические реакции, ведь поле так слабо взаимодействует с молекулами», – говорит Шультен (фото L. Brian Stauffer).
Позднее способность птиц буквально видеть поле, была подтверждена опытным путём. Но детали работы криптохрома в роли компаса оставались совершенно неясными.
Ведь для того чтобы компас работал, белок должен быстро-быстро переключаться между сигнальным и неактивным состоянием, а для этого ему нужна молекула-партнёр, способная включать «реверс» у индуцируемой магнитным полем Земли реакции.
Этот недостающий ключ и нашёл Соловьёв.
Таинственным компонентом «глазного компаса» оказался cупероксид (O2-1). В небольших количествах этот короткоживущий радикал постоянно образуется в клетках, однако если его генерируется чуть больше — начинается оксидативный стресс, приводящий к клеточным повреждениям со всеми вытекающими.
Интересно, что открытие было сделано благодаря ошибке учёного. Соловьёв не знал о токсичности супероксида для живой клетки и потому даже без тени сомнения рассматривал его как идеального партнёра для криптохрома.
Работавший вместе с Соловьёвым Шультен поначалу отнёсся к предположению коллеги скептически. «Но потом я понял, что токсичность супероксида фактически имеет решающее значение для его роли, — заявил Клаус. — Тело имеет множество механизмов для снижения концентрации супероксида, чтобы предотвратить его разрушительное воздействие. Но это даёт преимущество, так как молекулы должны присутствовать при низких концентрациях, но не слишком низких, дабы биохимический компас работал эффективно».
Статья Соловьёва и Шультена в Biophysical Journal удостоилась обложки. На рисунке показаны молекулы криптохрома и супероксида, взаимодействующие в глазах животных (иллюстрация Biophysical Journal).
Шультен и Соловьёв объяснили, каким образом пара криптохром-супероксид жонглирует своими электронами в ответ на воздействие геомагнитного поля. Они высчитали, что данная комбинация чувствительна к сверхтонкому взаимодействию довольно слабенького внешнего поля и спиновой динамики в биомолекулах.
Также исследователи показали, что для работы живого компаса достаточно относительно малых концентраций свободного радикала кислорода в клетке.
Но почему тогда люди не видят магнитное поле? Ведь в наших глазах тоже есть и криптохром, и та же самая реактивная форма кислорода?
Всё дело в точном содержании O2-1 — поясняет Шультен. По его словам, «наши тела пытаются играть в более безопасную игру» (в сравнении с птицами) и супероксида в наших глазах — несколько меньше, то есть уже недостаточно для запуска описанных реакций и визуализации магнитного поля планеты.
«Эволюция человека выбрала долголетие, пожертвовав ориентационной способностью», — пояснил учёный.
КАК ЖИВОТНЫЕ ВИДЯТ МИР
