Naukowcy z Japonii po raz pierwszy zaobserwowali, jak żywe komórki reagują na pole magnetyczne. Ich badania mogą okazać się kluczowe w zrozumieniu, w jaki sposób zwierzęta, od ptaków po motyle, nawigują przy użyciu ziemskiego pola magnetycznego. Być może uda się też poszerzyć wiedzę na temat tego, czy słabe pola elektromagnetyczne mogą wpływać na nasze zdrowie.

Wiele gatunków zwierząt posiada zdolność magnetorecepcji, czyli wyczuwania ziemskiego pola magnetycznego. Korzystają z niej do nawigowania po planecie, szczególnie w długodystansowych migracjach. Jednak mechanizmy stojące za magnetycznym „szóstym zmysłem” są słabo poznane. Krok ku lepszemu zrozumieniu magnetorecepcji poczynili japońscy naukowcy z Uniwersytetu w Tokio. Zaobserwowali oni w swoim laboratorium, jak żywe, niezmodyfikowane genetycznie komórki, reagują na pole magnetyczne.

Wyniki badań zostały opublikowane w piśmie „Proceedings of the National Academy of Sciences”. Prace badaczy mogą pomóc nam zrozumieć, jak zwierzęta wykorzystują pola magnetyczne do nawigacji i czy takie pola mogą wpływać na ludzkie zdrowie.

Magnetorecepcja w żywych komórkach

Naukowcy od dawna podejrzewali, że ziemskie pole magnetyczne może wpływać na zachowanie zwierząt. Skłaniała ich ku temu prosta obserwacja, że magnes może przyciągać lub odpychać elektrony. To z kolei prowadzi do wniosku, że pole magnetyczne może wpływać na reakcje chemiczne w komórkach.

– Fantastyczną rzeczą w tych badaniach jest to, że związek między spinami dwóch oddzielnych elektronów może mieć duży wpływ na biologię – powiedział profesor Jonathan Woodward z Uniwersytetu Tokijskiego.

Podczas wzbudzania niektórych cząsteczek za pomocą światła, elektron może przeskakiwać z jednej na drugą i tworzyć dwie cząsteczki z pojedynczymi elektronami, zwane parą rodników. Pojedyncze elektrony mogą istnieć w jednym z dwóch stanów różniących się spinem. Jeśli rodniki mają ten sam spin, ich późniejsze reakcje chemiczne są powolne, podczas gdy pary rodników o przeciwnych spinach mogą reagować szybciej. Pola magnetyczne mogą wpływać na spin elektronów, a tym samym bezpośrednio wpływać na reakcje chemiczne z udziałem par rodników.

W ostatnich latach naukowcy zidentyfikowali kilka białek, zwanych kryptochromami. Są to fotoreceptory wrażliwe na niebieskie światło i występują zarówno u roślin, jak i zwierząt. Są też wrażliwe na pola magnetyczne.

We wcześniejszych eksperymentach uczeni zaobserwowali, że genetyczne manipulacje kryptochromów u muszek owocówek i karaluchów mogą pozbawić je magnetycznego „szóstego zmysłu”. Inne badania wykazały, że nawigacja geomagnetyczna u ptaków i innych zwierząt jest indukowana przez światło, które jest konieczne do powstania wspomnianych wcześniej rodników. Jednak nikt dotąd nie zmierzył reakcji chemicznych wewnątrz żywej komórki zmieniającej się bezpośrednio z powodu pola magnetycznego.

Autofluorescencja komórek

Woodward wraz ze współpracownikami pracowali z komórkami HeLa, linią komórkową wywodzącą się z komórek raka szyjki macicy, które są powszechnie używane w laboratoriach badawczych. Uczeni byli szczególnie zainteresowani obecnymi w nich podjednostkami kryptochromów, nazywanymi flawinami, które w naturalny sposób fluoryzują pod wpływem światła niebieskiego.

Flawiny są zwykle używane przez komórki do wykrywania światła, ale stanowiły również fantastyczną okazję dla naukowców do badania magnetorecepcji. Dzieje się tak, ponieważ różne warunki mogą wpływać na ilość światła przez nie emitowanego, w tym pole magnetyczne. Kiedy światło pada na flawinę, ta emituje własne światło lub wytwarza pary rodników. Fluorescencja zależy od szybkości reakcji par rodników.

Zespół z Uniwersytetu Tokijskiego miał nadzieję zaobserwować biologiczną magnetorecepcję poprzez monitorowanie autofluorescencji komórek podczas dodawania sztucznego pola magnetycznego do ich środowiska.

Autofluorescencja, jak wskazują autorzy badań, jest powszechna w komórkach, więc aby wyizolować autofluorescencję flawiny, naukowcy wykorzystali lasery, aby oświetlić komórki światłem o określonej długości fali, a następnie zmierzyli długości wyemitowanych przez komórki fal światła, aby upewnić się, że pasuje do charakterystycznych wartości autofluorescencji flawiny.

 

Eksperymenty

Komórki napromieniowano światłem niebieskim przez około 40 sekund. Badacze co cztery sekundy omiatali komórki polem magnetycznym i mierzyli zmiany intensywności fluorescencji. Analiza danych wizualnych z eksperymentów wykazała, że ​​fluorescencja komórki zmniejszała się o około 3,5 proc. za każdym razem, gdy pole magnetyczne przechodziło przez komórki.

– Od czasów studiów doktoranckich moim celem były bezpośrednie obserwacje efektów tych par rodników w biologicznym systemie. Myślę, że właśnie to udało nam się osiągnąć – powiedział Woodward.

Naukowcy podejrzewają, że niebieskie światło pobudza cząsteczki flawiny do generowania par rodników. Obecność pola magnetycznego spowodowała, że więcej par rodników miało ten sam spin, co oznacza, że ​​było mniej cząsteczek emitujących światło. Fluorescencja w komórce gasła, aż pole magnetyczne zniknęło.

– Nie zmodyfikowaliśmy ani nie dodaliśmy niczego do tych komórek. Uważamy, że mamy niezwykle mocne dowody na to, że zaobserwowaliśmy czysto kwantowo-mechaniczny proces wpływający na aktywność chemiczną na poziomie komórkowym – zaznaczył Woodward.

Pola magnetyczne wykorzystywane podczas eksperymentów wynosiły 25 militesli, co w przybliżeniu odpowiada zwykłym magnesom na lodówkę. Pole magnetyczne Ziemi różni się w zależności od lokalizacji, ale szacuje się, że jest około 500 razy słabsze niż pole magnetyczne używane w eksperymentach.

Woodward twierdzi, że pole magnetyczne Ziemi, choć jest słabe, to nadal może mieć istotny biologicznie wpływ. Chociaż silne pola magnetyczne utrudniają parom rodników przełączanie się między stanami, w których spiny dwóch elektronów są takie same, a stanami, w których są różne, słabe pola magnetyczne mogą mieć odwrotny skutek i sprzyjać temu procesowi bardziej niż w przypadku braku pola magnetycznego.

Jednak badania są w powijakach i konieczne będą dalsze prace, aby zrozumieć, jaką rolę odgrywa magnetorecepcja w różnych procesach komórkowych. Zespół chce teraz dokładnie zbadać kryptochromy i ich interakcje z innymi komórkami, a także wszelkie potencjalne konsekwencje, jakie pola magnetyczne mogą mieć na komórki.

 

 

Źródło: University of Tokyo

 

 

3 2 votes
Article Rating