Kompas zvířat a co o něm víme

Země je obrovským dipólem vytvářejícím trojrozměrné magnetické pole. Z orientace a intenzity jeho složek lze získat informaci nejen o směru sever–jih, ale také o poloze z hlediska geografické šířky. Život na Zemi vznikl a vyvíjel se v tomto poli po několik miliard let. Otázka, zda mají živočichové – podobně jako člověk vybavený kompasem – schopnost využívat geomagnetické pole k orientaci a navigaci, zůstává v mnoha ohledech stále otevřená. Etologické experimenty však naznačují, že tuto schopnost orientace mají zástupci široké škály organizmů: od bakterií přes ploštěnce, měkkýše, členovce, ryby, obojživelníky až k ptákům a savcům.

Roku 1970 byly v Nové Anglii objeveny pozoruhodné bakterie, které se orientují a pohybují podél magnetických siločar. Tento způsob pohybu byl pojmenován jako magnetotaxe a nový druh bakterie dostal jméno Aquaspirillum magnetotacticum. Zjistilo se, že ty, které žijí v sedimentech ve vodách na severní polokouli, se pohybují směrem k severu, a ty, které žijí na jižní polokouli, k jihu. Vysvětlení je zřejmě třeba hledat v odklonu vektoru intenzity magnetického pole (dále jen MGP) Země od horizontální roviny (v magnetické inklinaci), která je maximální na pólech. Kdybyste totiž měli kompas, jehož střelka se může otáčet i podle vodorovné osy, na magnetickém pólu by vám ukazoval, že sever nebo jih jsou přímo dole pod vámi, a naopak na rovníku by byla střelka přesně vodorovná. Protože zmíněné bakterie jsou mikroaerobní a vyšší obsah kyslíku je pro ně toxický, dovedou si podle směru magnetického vektoru najít cestu dolů, pryč od atmosféry.

Druhým častým objektem magnetobiologických výzkumů se staly včely se svou výjimečnou schopností orientovat se v krajině při cestách za potravou a zpět do úlu.

Uvádí se několik příkladů schopnosti včel vnímat MGP Země: a) Při svých tanečcích na plástu v úlu, jimiž sdělují svým kolegyním, kde našly potravu, se dopouštějí jisté chyby – odchylky od správného směru tanečku. Tato odchylka je závislá na orientaci tanečku vůči zemskému MGP. b) Je-li úl se včelami překlopen, takže včely jsou nuceny tancovat na vodorovné ploše plástu, po čase přebírá úlohu svislé osy osa severojižní. c) Nepříliš prokázané zůstávají vlivy na cirkadiánní rytmus včelího společenstva a hypotéza, podle níž by si včely jednoho včelstva měly zapamatovat orientaci plástu mateřského úlu vůči magnetickým osám, kterou by pak při stavbě nového plástu v novém úle zachovaly.

Z hlediska smyslu pro magnetizmus jsou nejlépe prozkoumanými obratlovci ptáci, a to proto, že mají schopnost vracet se domů z míst, kde nikdy předtím nebyli, nebo se obdivuhodně orientovat na dlouhých tazích. Experimentátoři vypouštěli holuby, drozdy či pěnice (často s klapkami na očích) v neznámém terénu, opatřené malými cívkami na hlavě a sledovali schopnost orientace i s ohledem na magnetické bouře a místní odlišnosti. Po mnoha experimentech se zdá nepochybné, že ptáci magnetický kompas skutečně využívají, a to hlavně v noci a při zatažené obloze, kdy k nalezení a udržení správného směru letu nemají jiné prostředky. Výsledky naznačují, že kompas ptáky informuje spíše o azimutu jejich dráhy a o inklinaci místního pole než o jeho polaritě. Své zastánce má hypotéza, podle níž jsou ptáci schopni zaznamenat změny inklinace s citlivostí dostatečnou pro přesné určení geografické šířky.

Podstata a mechanizmus vnímání MGP

Je-li schopnost vnímat MGP skutečným smyslem analogickým sluchu nebo zraku, musí existovat nějaký více či méně specializovaný orgán (magnetoreceptor) spojený s nervovou soustavou. Pokud není informace o magnetickém poli převedena do řeči akčních potenciálů nervové soustavy, pak jednoduše organizmus nemůže být schopen vnímat tak nepatrné změny MGP, jaké byly změřeny u holubů nebo včel.

Předem je však nutno přiznat, že sídlo smyslu pro magnetizmus nebylo dodnes nalezeno. „Lov na magnetoreceptor“ (jak se nazývá jeden loňský článek) zatím vyznívá naprázdno. Ze souhrnných prací z poslední doby je jasné, že navzdory velkému množství dosud publikovaných experimentů je téměř nemožné sestavit z nich ucelený obraz. Skutečně průkazných, dostatečně popsaných, reprodukovatelných a neodporujících si výsledků je jen malé množství. O mechanizmu, kterým jsou živočichové informováni o magnetickém poli zemské intenzity, tedy existují pouze hypotézy. Blíže si všimněme tří:

Hypotéza elektrické indukce předpokládá, že živočich je schopen indikovat slabá elektrická pole vznikající podle Faradayova zákona na povrchu těla pohybem v MGP. Změna elektrického pole pak vyvolá přesuny iontů na membránách receptorových buněk. Dostatečně citlivými receptory elektrických polí by mohly být Lorenziniho ampule nalezené u některých paryb. Vadou tohoto vysvětlení je, že podobné receptory nebyly objeveny u živočichů žijících na suché zemi, kde jsou navíc – v důsledku jiné vodivosti prostředí – podmínky pro tento způsob registrace mnohem horší.

Feromagnetická hypotéza: Její velkou podporou jsou krystalky biologicky syntetizovaného, feromagnetického a elektricky vodivého magnetitu (Fe₂O₃) nalezené zprvu v zubu chroustnatky rodu Chiton a v již zmíněných pozoruhodných magnetotaktických bakteriích, později v řadě dalších živočichů od včel po netopýry. Proti ní mluví především to, že zatím nikdo nenašel žádný orgán s touto sloučeninou fungující prokazatelně jako biologický kompas.

Podle zastánců této hypotézy má magnetit dostatečné magnetické vlastnosti, aby při nalezeném počtu, velikosti a tvaru zrníček byl schopen reagovat na nepatrné změny MGP a vyvolat kýžený podnět pro nervový systém. Od této úvahy je jen krůček k hypotetické konstrukci řady možných čidel. V úvahu připadají tato:

1. Izolovaný receptor – krystalek magnetitu je hydrofobními proteinovými molekulami držen v membráně nervového zakončení čivné buňky tak, že se může volně otáčet podle vlivu geomagnetického pole. Může se natočit i tak, že vodivě spojí vnitřek buňky s jejím okolím a vyvolá lokální vyrovnání potenciálů (obrázek). Vzniklé podráždění se ve formě akčních potenciálů šíří nervem.

   Modifikací tohoto způsobu recepce je rotace bílkovinných tunýlků nebo kanálků v membráně otevírající a zavírající cestu iontům z vnějšího do vnitřního prostředí a naopak. Každý takový shluk proteinů má svůj magnetický dipól, účinek je zesilován velkým kulovitým zrnem v těsné blizkosti tohoto dipólu (obrázek).

2. Torzní receptor – podlouhlé krystalky magnetitu jsou sériově a se stejnou orientací uspořádány do jakési tyčinky spojené s libovolným mechanoreceptorem. Mechanoreceptor (např. vlásková buňka) pak registruje jemná pnutí nebo ohyb tyčky vyvolané vnějším polem.
3. Řadové uspořádání superparamagnetických zrn – interakce sil mezi dvěma sousedními superparamagnetickými zrny jsou závislé na orientaci jejich magnetických dipólových momentů. Protože u těchto zrn se směr jejich dipólu orientuje shodně se směrem vnějšího pole, může vnější pole uspořádat dipóly řady zrn tak, že se buď přitahují, nebo odpuzují, což může být opět zaznamenáno mechanoreceptorem (obrázek).

Paramagnetická hypotéza: Využití paramagnetického materiálu pro biologickou detekci zemského MGP naráží na to, že tyto látky pod vlivem vnějšího pole vykazují jen velmi slabý vlastní magnetický moment. Předpokládá se, že v podmínkách živočišného organizmu by ani několik kubických milimetrů čistě paramagnetického materiálu nepředstavovalo množství nezbytné pro funkci specializovaného receptoru.

Přesto jsou dnes mechanizmy detekce spadající pod paramagnetický efekt v ohnisku pozornosti. Mluví se o možnosti ovlivnění biochemických reakcí působením MGP. Klíčovou roli v posledních experimentech hraje světlo a fotocitlivé pigmenty sítnice oka. Fotoreceptory totiž při vnímání světla využívají rezonanci atomového spinu, která může být modulována působením i tak slabého pole, jako je MGP Země. Tento princip magnetorecepce navrhl už r. 1977 teoretický fyzik M. J. M. Leask a nazval jej mechanizmus optické pumpy, poněvadž vyžaduje světlo k přivedení molekul zrakového pigmentu do excitovaného stavu, v němž pak mohou interagovat s geomagnetickým polem.

Pro tuto hypotézu hovoří některé experimenty, které ukázaly závislost mezi schopností zkoumaných živočichů vnímat MGP Země a vlnovou délkou osvětlení, při němž se experiment prováděl. V jiných případech se odpověď na MGP ztratila po přetětí zrakového nervu či v podmínkách úplné tmy.

Nicméně o mnohých zvířatech se naproti tomu ví, že jsou schopna orientace podle geomagnetických siločar i v absolutní tmě. Existují tedy dva typy receptorů - jeden závislý na osvětlení a druhý pracující i ve tmě?

Sítnice oka s molekulami pigmentu uspořádanými do řad má však optimální podmínky i pro biochemickou reakci ovlivňovanou MGP, ale nezávislou na světle. Pro badatele nad podstatou magnetického smyslu je natolik přitažlivá, že o ní uvažují jako o hypotetickém magnetoreceptoru i v podmínkách absence světla.

Neurofyziologický výzkum

přinesl v poslední době pro magnetobiology slibné výsledky v podobě elektrofyziologických záznamů změn aktivity některých neuronů pod vlivem působení MGP o zemské intenzitě. Zřetelná reakce byla naměřena u neuronů pineální žlázy holubů (obrázek), kde vedle toho vykazovaly podobnou aktivitu i neurony odpovědné za zpracování zrakového signálu. Poněvadž ptačí pineální žláza může obsahovat vlastní rudimentární fotoreceptorická tělíska, je tento výsledek ve shodě s hypotézou spojující schopnost vnímání MGP s fotoreceptory.

Při pátrání po magnetických tělískách ve tkáních ptáků bylo ve hlavách tažných amerických vlhovců nalezeno největší množství magnetitu v oblasti mezi nosní dutinou a očnicí. Spontánní elektrická aktivita trojklanného nervu, inervujícího tuto oblast, skutečně vykazovala změny při působení MGP.

Behaviorální experimenty s mořským měkkýšem Tritonia diomedea objevily jeho schopnost orientovat se podle směru geomagnetického pole. Pozornost elektrofyziologů přilákal jeho jednoduchý nervový systém s velkými, snadno rozlišitelnými neurony. Na obrázku je odpověď jednoho z mozkových neuronů na změny okolního pole v podobě rapidního zvýšení elektrické aktivity. Není dosud jasné, zda tento neuron (známý jako 5. levý pedální neuron) je sám magnetoreceptorem, nebo jen příjemcem podráždění z neznámého primárního receptoru, nicméně relativní přístupnost nervového systému činí tohoto plže slibným objektem při zkoumání nervové podstaty smyslu pro zemský magnetizmus.