Aktuální číslo:

2017/12

Téma měsíce:

Kontakty

Kompas a mapa

Orientace v geomagnetickém poli
 |  12. 4. 2007
 |  Vesmír 86, 224, 2007/4

Nad orientačními schopnostmi živočichů zůstáváme stát v němém úžasu. Nejrůznější živí tvorové se vydávají třeba na druhou stranu zeměkoule bez map, bez jakýchkoli ukazatelů směru a po mnoha měsících se vracejí zpět na tutéž louku, do téhož zálivu, k témuž stromu v domovském lese. Moderní metody sledování pomocí satelitů přinášejí nové důkazy o tom, že zvířata po celou cestu vědí, kde jsou, i když je od cíle dělí tisíce kilometrů. Jak je to možné? Od biologů zabývajících se výzkumem migrací (ať už jde o ptačí tahy, putování želv nebo tisícikilometrové výlety žraloků za potravou) se nejspíš dočkáte opatrné odpovědi, že se pravděpodobně orientují podle řady vodítek. Ví se, že roli hrají zejména čich a chuť, někdy sluch a samozřejmě zrak. Rok od roku však roste počet důkazů o tom, že se zvířata orientují i pomocí smyslu pro geomagnetické pole, který byl nám lidem odepřen.

Nicméně i člověku zemský magnetizmus už po staletí ukazuje směr na moři i na souši. Pomáhá udržet orientaci v mlze nebo za tmy, kdy zrak selhává. Magnetický kompas je natolik převratným cestovním nástrojem, že by bylo s podivem, kdyby živočichové tento nevýrazný, ale spolehlivý a vždy a všude přítomný směrový ukazatel nechali bez povšimnutí.

Z pohledu moderní techniky je užívání klasického kompasu už poněkud zastaralé. I turisté dnes mohou putovat podle družicového navigačního systému, který říká podstatně více než pouhý kompas. S přesností několika metrů určí místo v dvojrozměrné síti souřadnic na povrchu Země, a naopak podle souřadnic dokáže nasměrovat k cíli. Ukazuje se, že i živočichové zřejmě mají poziční navigační systém využívající celoplanetární gradienty magnetického pole – sice ne tak přesný, ale přece jen dosti dokonalý. Důkazů o takové magnetické mapě, kterou živočichové používají, pomalu, ale jistě přibývá.

Ať už je to kompasový smysl nebo mapa, pro citlivost k magnetickému poli Země zřejmě obecně platí, že přichází ke slovu zejména tehdy, když na ostatní smysly přestává být spolehnutí – např. za tmy, při zatažené obloze, pod zemí apod. Navíc jsou navigační strategie živočichů značně redundantní, což výrazně znesnadňuje jejich praktické studium. Například ptáci používají k určení směru kromě magnetického pole Země též polohu Slunce, hvězd a polarizované světlo oblohy. Svou pozici určují také za pomoci čichových, sluchových a zrakových vodítek. Není proto divu, že hypotéza předpokládající schopnost živočichů využívat pro orientaci magnetické pole, kterou formuloval Alexander Theodor von Middendorff r. 1859, čekala na svou experimentální podporu více než 100 let. Nicméně od poloviny šedesátých let minulého století postupně přibývají důkazy svědčící o této schopnosti živočichů a magnetorecepce si zvolna klestí cestu do učebnic fyziologie a etologie.

Informační nabídka geomagnetického pole

Geomagnetické pole poskytuje pro orientaci několik důležitých ukazatelů. Vysvětlovat princip orientace podle kompasu jistě není potřeba. Jde v zásadě o to, že člověk vybavený kompasem nebo zvíře s „kompasovým smyslem“ může stanovit úhel (azimut) mezi směrem své trasy a severo-jižní magnetickou osou. Udrží-li při pohybu azimut konstantní, má tvor jistotu, že se neodchýlil od přímého směru. Podívejme se však o něco podrobněji na druhý typ orientace v magnetickém poli – na „mapový smysl“.

Vraťme se k síti souřadnic, která představuje základ pro určení polohy. Potřebujete mít dva na sebe kolmé gradienty jisté veličiny, které stoupají nebo klesají s geografickou šířkou a délkou. Klíčová otázka pro hypotézu magnetické mapy by tedy mohla znít: Má geomagnetické pole dva (v ideálním případě na sebe kolmé) gradienty, které by popisovaly jakoukoliv polohu na Zemi? V případě geografické šířky je odpověď kladná. Inklinace, tedy sklon celkového magnetického vektoru od vodorovné roviny, se skutečně velmi rovnoměrně mění (pomineme-li místní nehomogenity) od 90° na severním k –90° na jižním magnetickém pólu (obrázek 1). Názorněji si lze změnu inklinace ilustrovat z představy Země, která, ač kulatá, představuje magnetický dipól, kde z pólů vyvěrají magnetické siločáry kolmo k zemskému povrchu (obrázek 2). Hodnota inklinace může tedy velmi dobře informovat o vzdálenosti od rovníku a její orientace (znaménko) o tom, zda jsme na severní, nebo na jižní polokouli. Severojižní gradient existuje, ale jak je to s gradientem východo-západním?

Touto druhou složkou sítě by nejspíše mohla být celková intenzita zemského magnetického pole. Na první pohled (obrázek 3) se východo-západní gradient, srovnatelný s oním inklinačním, objevuje snad jen v prostoru někde východně od Madagaskaru. Pokud ovšem zvětšíme měřítko, dojdeme k závěru, že na převážné většině zemského povrchu jistý gradient v ose východ-západ existuje. Problém se tedy přesouvá na otázku, jak citlivě chceme pole měřit a v jak velkých oblastech ho srovnávat. Lze si představit, že většina migrujících živočichů nepotřebuje homogenní síť celoplanetárního rozsahu, tak jak ji užíváme my. Zpravidla jde o přesuny jen v urči tých koridorech a v řádech od desítek po tisíce kilometrů. V těchto limitovaných oblastech může opravdu existovat jen jedno místo s dvěma jedinečnými magnetickými souřadnicemi, které jako maják dává pokyn k obratu určitým směrem a cesta k dalšímu cíli by pak mohla být odvozena ze znalosti gradientů – jakoby přečtena z mapy. Taková znalost může být buď vrozená, anebo teprve získaná na základě zkušenosti, kalibrováním podle klasických orientačních vodítek, např. po dle polohy Slunce. Ví se, že místní magnetické anomálie deformující pravidelnou síť magnetických souřadnic mohou např. holuby dočasně zmást, dokud si je nezařadí do „magnetického reliéfu“ krajiny a nenaučí se je využívat (obrázek 4).

Pokud jde o informační nabídku planety Země, zdá se být dostatečná. Co však na to živočichové?

Behaviorální důkazy

Do dnešních dnů už byly publikovány desítky behaviorálních důkazů magnetorecepce (obrázek tab. I). Přece jen je však patrné, že se magnetorecepce z mlhy otázek, tápání a pochybností vynořuje jen velmi zvolna. Příčin může být řada: Především jde o smyslovou schopnost člověku nepřístupnou, nemáme nejmenší představu, jak a co vlastně zvířata z magnetického pole cítí. Další je ta potíž, že živočichové zřejmě magnetickou informaci používají k orientaci jen jako součást z celého komplexu dalších smyslových vjemů. Je proto pravděpodobné, že při konfliktu více navigačních vodítek (který může experimentátorovi uniknout) modifikují a překalibrovávají azimuty svých kompasů. Navíc zřejmě využívají magnetorecepční smysl jen za určitého motivačního vyladění. Není proto snadné zopakovat pokus svého kolegy, někdy dokonce ani svůj vlastní. Ze zmíněných příčin je smysl pro zemský magnetizmus schopností stále trochu mysteriózní, mnohem obtížněji přístupnou studiu (ve srovnání např. se zrakem nebo sluchem), ale o to lákavější…

Přesto přese všechno data nashromážděná především při pokusech s tažnými ptáky, želvami, čolky nebo včelami stačí dnes na to, abychom kompasový smysl mohli považovat za realitu a koncepci magnetické mapy za postupně nabírající na síle.

Pokusy s magnetickým ovlivněním ptačí orientace se už po několik desetiletí zabývají manželé Wiltschkovi z Frankfurtské univerzity. S jejich jménem bude výzkum magnetorecepce spojen asi už trvale. Nejvíce informací přinesly jejich laboratorní experimenty, kdy sledovali směr, kterým se snaží vzletět např. červenky umístěné do uzavřené trychtýřovité nádoby (obrázek 5).

Své místo mají pochopitelně i klasické pokusy s holuby vypouštěnými volně v terénu a vracejícími se domů – jednou s miniaturním magnetem připevněným na hlavě, jindy se zakrytým okem nebo po aplikaci silného magnetickém pulzu (viz článek v příštím čísle). Zvířatům se místo klasických kroužků začínají na těla připevňovat miniaturní přijímače GPS, které po návratu vydají ze své paměti přesný záznam, kde a kdy pták pobýval.

Někdy je nejlepším pracovním nástrojem kruhová aréna bez jakýchkoli jiných navigačních vodítek kromě magnetických, v níž (z jejího středu) jsou testovaní živočichové vypuštěni (želvy, čolci, octomilky) nebo si v ní stavějí hnízda (hlodavci, termiti) – obrázek 6. Výsledky těchto testů orientace se vynášejí do cirkulárních diagramů a vyhodnocují testy cirkulární statistiky (obrázek 8). Samozřejmostí bývají velké cívky umožňující v laboratoři polem experimentálně otáčet, zesilovat ho nebo obracet libovolnou složku zemského vektoru.

Právě překlápěním vertikální složky pole se přišlo na to, že existují dva typy kompasové reakce živočichů: polaritní a inklinační. Polaritní kompas dokáže přímo rozeznat polaritu magnetického vektoru, a tedy i směr na jih od směru na sever. Kompas inklinační však odvozuje polaritu pole sekundárně ze sklonu celkového vektoru k Zemi – tedy podle inklinace. Když byla ptákům experimentálně obrácena horizontální složka pole o 180°, reagovali logicky letem na druhou stranu. Stejný obrat nastal, i když zůstala horizontální složka stejná, ale byla obrácena inklinace (obrázek 9) – na obyčejném kompasu by taková změna patrná nebyla. I některá další zvířata (čolci, mořské želvy) na takový zásah reagují obrácením své pouti o 180°. Interpretace chování je následující: zvířata sice poznají směr severo-jižní osy, ale nemají schopnost přímo určit její polaritu. Kde je sever a kde jih, odvozují až ze znaménka inklinace. Letí-li např. holub po magnetickém poledníku a osa pole před ním směřuje k Zemi, může si být jist (na severní polokouli), že letí na sever. Člověk by se ocitl ve stejné situaci, kdyby mu někdo dal do ruky kompas se střelkou, která se může otáčet ve všech směrech, ale není na ní vyznačen severní pól.

Druhá skupina zvířat (lososi, podzemní hlodavci) k určení polarity pole inklinaci nepotřebuje. Mají polaritní kompas, který zřejmě detekuje směr vektoru i s jeho polaritou a obrácení nebo vynulování inklinace je nezmate. U řady druhů však zůstává způsob rozlišení polarity neznámý (obrázek tab. I).

Jak už víme, o citlivosti k inklinaci se spekuluje i v případě mapového smyslu. Tady však nejde jen o kvalitativní určení, zda osa přede mnou jde nahoru či dolů, ale o přesné kvantitativní stanovení úhlu sklonu vůči svislé ose – tedy vůči gravitaci. To ovšem znamená – a mapová hypotéza na tom stojí a padá – že magnetoreceptor musí spolupracovat s neméně přesným detektorem gravitace nebo, jinými slovy, s detektorem sklonu osy těla vůči vodorovné rovině. V případě čolků se opravdu zjistilo, že jsou schopni zareagovat na změny sklonu podložky menší než 1°. První empirický důkaz mapového smyslu poskytly mladé mořské želvy migrující mezi Amerikou a Evropou. Při dosažení určitých bodů v Atlantiku mění směr své pouti, jako by narazily na nějaké magnetické majáky (obrázek 7). Stejné chování bylo poté zjištěno i v kruhovém akváriu se simulovaným magnetickým polem, odpovídajícím inklinací a intenzitou příslušným bodům obratu (obrázek 6). Chování je vrozené, neboť směr pohybu mění i čerstvě vylíhnuté želvy, které nikdy nebyly v oceánu.

Pozoruhodně si zahráli experimentátoři ve Švédsku se štíhlou linií slavíků na cestách. Když jim v zajetí nastavili magnetické pole, jaké je v severní Africe, slavíci začali nabírat na váze – v očekávání dlouhého a vyčerpávajícího přeletu Sahary. Podobnou znalost toho, kde se na magnetické mapě světa nacházejí, ukázali i čolci a z bezobratlých humři.

Pokusy s chováním, orientací v laboratořích nebo volně v přírodě už prozradily o magnetickém šestém smyslu zvířat mnohé, ale jak magnetorecepce ve své podstatě funguje, jaký mechanizmus převádí energii magnetického pole na změny potenciálu nervových buněk, zatím nevíme; naše znalosti zůstávají na úrovni hypotéz.

(V příštím čísle najdete tematicky navazující článek Mechanizmy magnetorecepce.)

Literatura

Freake a kol.: Quarterly Review of Biology 81, 327–347, 2006.

Ke stažení

OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Fyziologie

O autorech

Pavel Němec

Martin Vácha

Doporučujeme

Tajemná „Boží země“ Punt

Tajemná „Boží země“ Punt uzamčeno

Břetislav Vachala  |  4. 12. 2017
Mnoho vzácného zboží starověkého Egypta pocházelo z tajemného Puntu, kam Egypťané pořádali časté obchodní výpravy. Odkud jejich expedice...
Hmyz jako dokonalý létací stroj

Hmyz jako dokonalý létací stroj

Rudolf Dvořák  |  4. 12. 2017
Hmyz patří k nejdokonalejším a nejstarším letcům naší planety. Jeho letové schopnosti se vyvíjely přes 300 milionů let a předčí dovednosti všech...
Hranice svobody

Hranice svobody uzamčeno

Stefan Segi  |  4. 12. 2017
Podle listiny základních práv a svobod, která je integrovaná i v Ústavě ČR, jsou „svoboda projevu a právo na informace zaručeny“ a „cenzura je...

Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru

Tištěná i elektronická
verze časopisu
Digitální archiv
od roku 1994
Speciální nabídka
pro školy a studenty

 

Objednat předplatné