Тривалий час вважали, що "компас" птахів міститься в дзьобі або очах, але нове дослідження німецьких учених перевернуло ці уявлення
Голуби - дивовижні птахи. На землі вони можуть здаватися трохи безглуздими зі своєю смиканою ходою і постійними кивками, які так веселять дітей. Але в небі це справжні генії навігації. Довгий час залишалося загадкою, як саме працює їхній внутрішній "GPS", доки вчені не зазирнули в несподіване місце - у внутрішнє вухо птаха.
Під час експериментів із 27 голубами в Мюнхені, дослідники виявили, що магнітне відчуття зароджується у внутрішньому вусі, де рух генерує крихітні електричні сигнали, пише Earth.
Картування мозку показало, що сигнал проходить від центрів рівноваги до областей, що відповідають за навігацію, що дає нове розуміння того, як птахи знаходять дорогу.
Учені називають цю здатність магніторецепцією - відчуттям магнітних полів для визначення напрямку і положення в просторі. Вона зустрічається у багатьох груп тварин. Для перелітних птахів ця додаткова підказка допомагає керувати довгими перельотами, коли хмари приховують зірки, а знайомі орієнтири зникають з поля зору.
Дослідники досі сперечаються про те, де саме розташований цей сенсор, оскільки магнітна інформація має перетворитися на нервові сигнали, перш ніж мозок зможе її використовувати.
Один з оглядів описує теорію "радикальних пар": двох пов'язаних електронів, реакції яких залежать від магнетизму. Цей процес відбувається всередині світлочутливих білків криптохромів в оці. Оскільки ці білки реагують на світло, багато лабораторних досліджень тестують птахів при тьмяному освітленні, щоб перевірити, чи не "перемикається" їхній компас.
Інша теорія вказує на магнетит - природні кристали оксиду заліза, які можуть впливати на прилеглі рецептори і запускати нервові імпульси.
Дослідження 2012 року показало, що багаті залізом скупчення в дзьобах голубів насправді були макрофагами - імунними клітинами, які утилізують стару кров. Цей результат не перекреслив ідею з магнетитом повністю, але попередив учених, що відкладення заліза можуть ввести в оману при ретельному вивченні анатомії.
Оскільки версія з дзьобом стала менш надійною, увага повернулася до внутрішнього вуха, яке вже пов'язує відчуття і рух. Вестибулярна система складається з сенсорів рівноваги внутрішнього вуха, які відстежують рухи голови. Система спирається на три заповнені рідиною петлі, які називаються півколовими каналами.
Коли голова повертається, рідина тисне на желатиновий купол (купулу), вигинаючи сенсори і даючи змогу мозку вимірювати швидкість обертання. Понад сто років тому вчені припустили, що рух крізь поле Землі може індукувати слабкі струми в цій рідині.
У 2012 році в науковій роботі було зафіксовано, як окремі нейрони в стовбурі мозку голуба відстежують напрямок і силу магнітного поля. Ці нейрони знаходилися у вестибулярних ядрах - центрах стовбура мозку, що приймають сигнали від внутрішнього вуха. Це натякало на те, що шляхи, які відповідають за рівновагу, можуть також нести магнітну інформацію.
Ранні записи не дали змоги визначити, які клітини запускають сигнал, і не могли виключити наявність інших сенсорів в інших місцях.
Дослідження 2019 року вказало на електромагнітну індукцію - електрику, що виникає під час руху через магнітне поле всередині півколових каналів голуба. Дослідники підрахували, що звичайне похитування головою може генерувати напругу, достатню для впливу на чутливі канали вушних клітин. Ця ідея побудувала міст від фізики до біології, але все ще вимагала чіткої карти мозкового ланцюга.
Останнє дослідження очолив доктор Девід А. Кейс із Мюнхенського університету імені Людвіга-Максиміліана (LMU). Команда використовувала картування активності всього мозку в сизих голубів (Columba livia), а потім профілювала клітини вуха по одній.
В екранованій кімнаті в LMU вони обнулили фонові поля, а потім обертали сигнал потужністю 150 мікротесла протягом 72 хвилин. Учені пофарбували мозок на наявність c-FOS - гена, який позначає нещодавно активні нейрони, щоб магнітне відчуття залишило видимий слід. У темряві спалахували ті самі ділянки мозку, що є аргументом проти теорії магнітного сенсора в сітківці ока, який залежить від світла.
Магнітний стимул спочатку активував вестибулярні ядра, а потім досягав мезопаліуму - ділянки мозку, що об'єднує безліч почуттів. Звідти сигнали також надходили в гіпокамп - центр пам'яті про місця і маршрути, що відповідає завданням навігації на великі відстані.
Команда побачила мало змін в іншій частині мозку, що свідчить про наявність цілеспрямованого ланцюга, а не глобальної реакції тривоги.
У півколових каналах волоскові клітини - сенсори внутрішнього вуха з ворсинками, що запускають нервові сигнали, - знаходяться під гелевою шапочкою. Команда використовувала секвенування РНК поодиноких клітин, зчитуючи, які гени використовує кожна окрема клітина, щоб порівняти типи волоскових клітин.
Один клас волоскових клітин містив багато потенціал-залежних іонних каналів - білків, які відкриваються при зміні електричного заряду, роблячи клітину чутливою до індукованих струмів.
Звичайне обертання голови згинає купулу - желатиновий клапан, який відхиляється під час поворотів голови, і це виробляє сигнали рівноваги. Індукція додає другий вхідний сигнал, тому що рух рідини через магнітне поле може штовхати заряджені частинки в протилежні сторони.
Коли купула залишається нерухомою, але заряд зміщується поперек неї, мозок може позначати цей патерн як магнітну інформацію.
На відміну від сенсорів на основі криптохромів, індукція може працювати в цілковитій темряві, оскільки вона залежить від руху і провідності, а не від фотонів світла. Ця відмінність натякає на те, що птахи можуть мати більше одного магнітного інструменту, вибираючи той, який відповідає доступним умовам.
Напівколові канали також реагують під час сканування головою, тому магнітні сигнали можуть зчитуватися, поки птах оглядає околиці.
Нейронна активація поки що не може довести, що голуби використовують цей сигнал у дикій природі, тому що лабораторні поля і природні сигнали можуть взаємодіяти. Що станеться, якщо заблокувати ці канали у вусі - чи знайдуть птахи дім після цього?
Інші види можуть вирішувати задачу магнетизму за допомогою іншого "обладнання", тому індукція у внутрішньому вусі може пояснювати здібності деяких навігаторів, але не всіх.
Поле Землі змінюється за силою і нахилом, а його інклінація (кут, під яким воно йде в землю) змінюється з широтою. Якщо вестибулярний ланцюг зчитує цей нахил, це може дати птахові вбудований спосіб відрізняти напрямок до полюса від напрямку до екватора. Інтенсивність поля може додати грубу підказку про місцезнаходження, оскільки сигнал стає сильнішим в одних регіонах і слабшим в інших.
Наступне завдання - пов'язати ці сигнали з реальними навігаційними рішеннями: від першого імпульсу у вусі до повороту в польоті. У міру того як команди тестують інших птахів і тварин, результати LMU припускають, що внутрішнє вухо може приховувати ще більше магнітних сенсорів.
Раніше УНІАН повідомляв, які тварини цілеспрямовано полюють на людей.