Магниторецепция (употребление термина известно с 1972 года, , также ) — это чувство, которое даёт организму возможность ощущать магнитное поле, что позволяет определять направление движения, высоту или местоположение на местности. Это чувство рассматривается как объяснение феномена бионавигации у беспозвоночных и насекомых, а также как средство развития у животных ориентирования в региональных экосистемах. При применении магниторецепции как средства и способа навигации, организм имеет дело с обнаружением магнитного поля Земли и его направления.
Магниторецепцию наблюдали у бактерий, у таких беспозвоночных, как плодовые мухи, лобстеры и медоносные пчелы. Это ощущение присутствует и у некоторых позвоночных, в частности — птиц, черепах, акул и некоторых скатов. Утверждение о присутствии магниторецепции у человека является спорным.
Предложенные объяснения феномена Недвусмысленная демонстрация использования живыми организмами магнитных полей для ориентации в пространстве проявилась у определённого класса бактерий, известного как магнитотактические бактерии. Эти микроорганизмы демонстрируют бихевиоральный феномен, известный под термином магнитотаксис, который заключается в том, что бактерия ориентируется и корректирует направление своего движения вдоль линий магнитного поля Земли. Такие бактерии имеют магнитосомы — частицы магнетита или сульфида железа, расположенные внутри бактериальных клеток. Каждая отдельная бактериальная клетка работает, фактически, как магнитный диполь. Они объединяются в цепочки, в которых дипольный момент каждой магнитосомы выравнивается параллельно со всеми остальными, тем самым предоставляя такой бактерии перманентные магнитные характеристики. Эти цепочки формируются симметрично, что позволяет сохранить кристаллическую структуру клеток. Считается, что такие бактерии имеют перманентную магнитную чувствительность.
Механизм действия магниторецепции у животных остаётся неясным, однако существуют две главные гипотезы, способные объяснить это явление. По одной из моделей, если подвергать криптохромы освещению светом синего спектра, они активизируются и формируют пару из двух радикалов (молекул с единственным неспаренным электроном), причём спины таких двух непарных электронов коррелируют между собой. Окружающее магнитное поле оказывает влияние на проявление этой корреляции (параллельная или антипараллельная), а это, в свою очередь, влияет на продолжительность времени, в течение которого криптохромы остаются в своём активированном состоянии. Активация криптохромов может повлечь изменение чувствительности нейронов сетчатки, а как результат — птица может «увидеть» магнитное поле. Магнитное поле Земли составляет всего 50 мкТл (0,5 Гс), а потому очень трудно понять, каким образом оно может вызывать любые химические изменения, кроме тех, при которых оно оказывает влияние на слабые магнитные поля между парами радикалов. Именно поэтому криптохромы считаются определяющими для светозависимой способности плодовой мухи Drosophila melanogaster чувствовать магнитные поля.
Другая предложенная модель механизма магниторецепции базируется вокруг Fe3O4, известного также как оксид железа(II, III), или магнетит, который является естественным оксидом с сильным магнетизмом. Оксид железа(II, III) остаётся постоянно намагниченным, если его длина больше 50 нм, а намагничивается он тогда, когда находится под действием магнитного поля при длине, меньшей чем 50 нм. В обоих этих случаях магнитное поле Земли, в результате физического воздействия на этот чувствительный к магнитным колебаниям оксид, вызывает образование сигналов, которые могут быть восприняты организмом.
Другим, менее распространенным типом механизма восприятия магнитных полей у животных, который был подробно описан, являются индуктивные методы (чутьё), которые используются акулами, скатами и химероподобными (хрящевые рыбы). Эти виды имеют уникальные электрорецепторные органы чувств, известные как ампулы Лоренцини, с помощью которых можно выявлять самые слабые вариации электрического потенциала. Эти органы образованы из заполненных слизью каналов, ведущих из пор в коже к небольшим мешочкам в плоти животного, которые тоже заполнены слизью. Ампулы Лоренцини способны обнаруживать потоки постоянного тока, а поэтому было высказано предположение, что эти органы чувств животные используют для распознавания слабых электрических полей добычи и хищников. Существует также вероятность, что эти органы способны чувствовать и магнитные поля, по закону Фарадея: если электропроводник движется в магнитном поле, создаётся электростатический потенциал. В этом случае проводником является животное, которое движется в магнитном поле, а потенциал, который образуется, зависит от временны́х вариаций скорости электрического потока, проходящего через проводник, согласно формуле . Эти органы способны обнаружить очень незначительные колебания в разности потенциалов между порами и основой электрорецепторного мешочка. Повышение потенциала провоцирует ослабление нервной активности, а снижение потенциала, соответственно, влечёт за собой усиление нервной активности. Такое положение вещей аналогично явлениям, что происходят в электропроводнике, по которому проходит ток: при постоянном электрическом сопротивлении канала повышение потенциала повлечёт снижение обнаруженного тока и наоборот. Упомянутые рецепторы расположены вдоль рта и носа акул и скатов.
У беспозвоночных
Моллюски
Моллюск Tochuina tetraquetra (ранее известный как Tritonia diomedea или Tritonia gigantea) был объектом исследований, которые проводились с целью выявить какие-то признаки, что смогли бы объяснить нервно-клеточный механизм, который является основой магниторецепции в организмах этого вида. Некоторые из самых ранних работ с особями вида Tochuina продемонстрировали, что перед наступлением полнолуния особи Tochuina спонтанно направляли свои тела в направлении геомагнитного северо-востока. С исследовательской целью был создан лабиринт в форме буквы Y, с магнитным полем, в котором правое направление отвечало геомагнитному югу, а левое — геомагнитному востоку. В рамках этого магнитного поля 80 % особей Tochuina, которые находились в лабиринте, на развилке поворачивали влево, то есть в направлении геомагнитного востока. Однако после реверсии магнитного поля, при которой магнитный север оказался на 180° от начальной точки, моллюски не отдавали явного предпочтения ни одному из доступных направлений, которые сейчас отвечали магнитному северу (правый) и магнитному востоку (левый). Хотя эти результаты и были достаточно интересными, однако они не окончательно подтверждают то, что моллюски вида Tochuina используют магнитные поля через магниторецепцию. Во время проведения данных экспериментов не было обеспечено контроля над активацией катушки Рубенса при применении реверса магнитного поля. Поэтому существует вероятность, что тепло или шум, которые генерировались катушкой, были ответственными за то, что моллюски не выбрали какого-то конкретного направления, который при иных условиях был бы для них приоритетным. Дальнейшая работа с особями Tochuina не смогла идентифицировать любые нейроны, которые бы проявили быстрые изменения в своей работе, как результат влияния магнитных полей на них. Однако, нейроны в ножке (Pd5), содержащиеся в пределах ганглия у моллюска Tochuina, продемонстрировали постепенное изменение частоты активаций этих нейронов с тем, которая начинает проявляться через 30 минут магнитной стимуляции под действием катушки Рубенса. Дальнейшие исследования обнаружили, что нейроны, которые находятся в ганглии ножки моллюска Pd7, проявили признаки сдерживания, которое стало следствием 30-минутного воздействия на них магнитного поля, образованного катушкой Рубенса. В настоящее время (по состоянию на 2014 год) функция нейронов Pd5 и Pd7 остаётся невыясненной.
Двукрылые
Дрозофила фруктовая является ещё одним представителем беспозвоночных, который может иметь способность к ориентированию с помощью магнитных полей. Экспериментальные методы исследований, такие как удаление отдельных генов, позволили лучше исследовать вероятность магниторецепции у этих плодовых мух. Разнообразные штаммы дрозофил были приучены реагировать на магнитные поля. Во время проведения преферентивного теста насекомых помещали в специальную конструкцию с двумя рукавами, обмотанными электрическим проводом. Ток проходил по каждой из этих «катушек», но лишь одна из них была настроена так, чтобы создавать магнитное поле силой в 5 Гс. Мухи, находящиеся в этой конструкции (в форме буквы Т), были протестированы на наличие у них врождённой способности распознавать присутствие магнитного поля в одном из рукавов, а также на то, как они реагировали на тренировки, направленные научить их распознавать магнитные поля, которое, в случае успешного выполнения задания, завершалось наградой в форме сахарозы. Немало таких штаммов мух проявили чувствительность к магнитному полю после проведения тренировок. Однако после удаления единственного криптохрома с гена Cry1 путём миссенс-мутации, или замены гена Cry, мухи теряют чувствительность к магнитным полям. Более того, если входное освещение фильтруют, пропуская лишь те световые волны, длина которых больше чем 420 нм, Drosophila тоже теряет свою способность распознавать магнитные поля. Такая реакция на фильтрацию освещения, вероятно, связана со световым рабочим спектром криптохрома мухи, диапазон которого составляет от 350 нм до 400 нм, а плато — от 430—450 нм. Исследователи ранее считали, что триада триптофанов в криптохроме является ответственной за наличие свободных радикалов, на которые магнитные поля могут иметь влияние, однако последние эксперименты с дрозофилами обнаружили, что триптофан может и не иметь никакого отношения к магниторецепции, связанной с криптохромами. Изменение или замена триптофанового протеина в результате не влечёт потери магниточувствительности у мух, которые имеют криптохром типа Cry1, или же криптохром, который можно найти и у позвоночных — Cry2. Таким образом, до сих пор остается невыясненным, каким образом криптохромы делают магниторецепцию возможной. В этих экспериментах было использовано магнитное поле силой в 5 Гс — в 10 раз больше, чем магнитное поле Земли. Дрозофилы не проявили способности реагировать на значительно более слабое земное магнитное поле.
У птиц
Домашние голуби Домашние голуби с развитым инстинктом дома давно известны своей способностью использовать магнитные поля как часть своей сложной навигационной системы. Исследования Уильяма Китона показали, что домашние голуби — если искусственно и внезапно изменить их привычный распорядок дня (сместить во времени) — проявляют неспособность верно ориентироваться в пространстве при солнечной безоблачной погоде. Причиной этого считался тот факт, что обычно ориентирующиеся по солнцу голуби постепенно в течение дня корректируют свою пространственную ориентацию вместе с изменением положения солнца на небе, тогда как после принудительной задержки их утреннего вылета на улицу голуби оказались неспособными выполнить такую коррекцию. Однако, если голубей выпускали наружу со значительным опозданием, но при пасмурной, облачной погоде, их навигация работала безошибочно. Это привело к возникновению гипотезы, что в определённых условиях пространственное ориентирование у голубей «переключается» на восприятие магнитных полей. Дальнейшие эксперименты с магнитами, прикреплёнными к спинам голубей, показали, что нарушение способности птиц чувствовать магнитное поле Земли приводит к потере ориентации при пасмурной погоде. В магниторецепции у голубей задействованы два механизма: механизм на основе пары свободных радикалов, что проявляется через видение птицы («видимое магнитное поле»), и механизм магнитного компаса направления или склонения на основе магнетитов. Более поздние исследования показали, что голуби способны обнаруживать магнитные аномалии силой до 186 мкТл (1,86 Гс).