Биогенный магнетит и магниторецепция. Новое о биомагнетизме. Том 1 - Киршвинк Дж.
ISBN 5-03-001274-5
Скачать (прямая ссылка):
Попытаемся определить характеристики макроскопического первичного преобразователя для случая индукционного магниторецептора исходя из анализа шумов и чувствительности. Механизм последующей переработки информации, поступающей от макроскопического преобразователя, по всей вероятности, похож на другие нейронные процессы. Будем считать, что, как и в случае других органов чувств, этот механизм работает на таком уровне чувствительности, который близок к обусловленному шумом теоретическому пределу, и поэтому будем пренебрегать любым шумом, вносимым на более поздних стадиях, сконцентрировав все внимание на первичном преобразователе.
Как и любая биологическая система, первичный преобразователь может генерировать систематический и случайный шумы, оценить которые очень трудно. Однако всегда существует тепловой шум, налагающий ограничения, которые невозможно устранить, и минимальный сигнал, детектируемый биологическими, электронными и механическими системами, часто определяется именно им. Предположим, что это условие выполняется и в данном случае. Поскольку первичный магнитный преобразователь находится в тепловом контакте с окружающей средой, любая его характеристика, на которую влияет магнитное поле, будет варьировать под влиянием тепловых флуктуаций. Чтобы изменение этой характеристики можно было отнести на счет влияния магнитного поля, указанное изменение должно превышать любые качественно неотличимые от него случайные тепловые отклонения.
Прежде чем пытаться анализировать индукционный способ восприятия магнитного поля, рассмотрим механизм магниторецепции, основанный на использовании магнитных материалов. Он изучен более детально и обсуждается в следующей главе.
Магнитные материалы, с помощью которых может осуществляться магниторецепция, скорее всего представляют собой магнитные диполи в виде кристаллитов размером до микрона с высоким содержанием железа или других переходных элементов. Эти кристаллы должны быть каким-то образом связаны с нервными окончаниями. О морфологии, размере и составе индукционного рецептора известно меньше, чем о рецепторе, основанном на использовании магнитных материалов. Прежде чем пытаться установить все эти характеристики индукционного органа, мы сопоставим два указанных механизма.
Магнитное поле вызывает поворот магнитного кристаллита-первичного преобразователя, и возникающее при этом напряжение или давление каким-то образом индуцирует в нейроне электрический сигнал. В случае же индукционного механизма выходной сигнал первичного преобразователя уже является электрическим. Поворот магнитных кристаллитов в магнитном поле происходит всегда, для этого не требуется никаких действий со стороны животного; напротив, для получения сигнала при индукционном механизме необходимо, чтобы животное совершало определенные движения.
Чувствительность при детектировании, основанном на использовании магнитных диполей, определяется величиной случайных поворотов диполей из-за тепловых флуктуаций. При индукционном механизме она определяется разностью между напряжением, генерируемым тепловым шумом, и напряжением, обусловленным движением животного в магнитном поле. В обоих случаях чувствительность может увеличиваться при многократной регистрации животным магниторецепторного сигнала или усреднении по нескольким рецепторам.
То, что магнетитные кристаллиты в самом деле могут быть ответственны за магниторецепцию у животных, показано только для бактерий. Тем не менее известно, что такие материалы способны обеспечить наблюдаемую чувствительность к геомагнитному полю, а возможно, и более высокую чувствительность. В следующем разделе мы обсудим, может ли обладать необходимой чувствительностью индукционный магниторецептор, и попытаемся оценить характеристики соответствующего органа.
3. Орган, ответственный за
индукционную магниторецепцию
Некоторые пластиножаберные рыбы обладают чувствительностью к малым магнитным полям, например к магнитному полю Земли (Kalmijn, 1982), причем, как предполагается, используют для этого магнитную индукцию. Эти рыбы (акулы и скаты) воспринимают электрические поля с помощью проводящих каналов (каналы ампул Лоренцини), которые соединяют поры на коже с чувствительными к напряжению клетками (электрорецепторами), расположенными глубоко в теле рыбы. Поскольку
некоторые рыбы реагируют на поля менее 1 мкВ/м (Kalmijn, 1982), им нужно перемещаться со скоростью лишь несколько сантиметров в секунду, чтобы возникла Э ДС, достаточная для детектирования магнитного поля Земли с помощью системы электрорецепции.1
Птицы или другие наземные животные в отличие от рыб не способны к индукционной магниторецепции. У рыб электрическая цепь состоит из канала ампулы, электрорецептора и внешней среды (морской воды). Поскольку сопротивление внешней цепи сравнительно невелико, существенная часть ЭДС приходится на электрорецептор и эффективно используется. Показано (Rommel, McCleave, 1973), что с увеличением сопротивления внешней цепи чувствительность уменьшается. У аналогичной детектирующей системы в воздушной среде по существу вся ЭДС приходилась бы на воздушный участок цепи, а ЭДС на электрорецепторе была бы ничтожно мала. Поэтому индукционная система в данном случае должна замыкаться в теле животного.
