Биогенный магнетит и магниторецепция. Новое о биомагнетизме. Том 2 - Киршвинк Дж.
ISBN 5-03-001275-3
Скачать (прямая ссылка):
Магнитное поведение кристалла магнетита зависит от его размера и формы (Butler, Banerjee, 1975; Kirschvink, Gould, 1981; гл. 11). Если кристалл достаточно большой и обладает достаточной анизотропией, спины неспаренных электронов упорядоченных в кристаллической решетке атомов Fe2+ будут спонтанно согласовывать свою ориентацию, генерируя в сумме сильное магнитное поле (гл. 2). Наименьшая магнитно стабильная единица магнетита имеет обычно размер ~ 0,1 мкм (но зависит от формы кристалла) и называется одиночным доменом. Таким образом, однодоменный кристалл постоянно намагничен и ведет себя подобно стрелке компаса: в присутствии внешнего магнитного поля он вращается до тех пор, пока направление его собственного поля не совпадет с направлением внешнего поля. Нетрудно представить себе множество способов, как однодоменные кристаллы магнетита могли бы быть включены в сенсорные органеллы и связаны с нервной системой. Несколько возможных моделей предлагают Киршвинк и Гоулд (Kirschvink, Gould, 1981) и Киршвинк (Kirschvink, 1981) (гл. 11). В одной из моделей, например, простой детектор типа «стрелки компаса», измеряя
А
внешн Удлинение
Б
Сокращение
Рис. 18.9. Суперпарамагнитный эластичный стержень в роли магниторецептора. А. Под действием внешнего поля (Явяешн ) магнитные моменты суперпарамагнит-ных частиц располагаются перпендикулярно оси стержня. Частицы отталкиваются друг от друга и стержень удлиняется. Б. Внешнее поле делает моменты частиц параллельными оси стержня. Частицы притягиваются, стержень сокращается. (Kirschvink, Gould, 1981.)
вращающий момент одной или нескольких однодоменных частиц, определяет направление внешнего поля. Общий для всех моделей вопрос-соотношение между энергией взаимодействия магнитных полей частиц магнетита с геомагнитным полем и энергией теплового «шума» (кТ, где к-константа Больцмана, Г-абсолютная температура): если энергия взаимодействия меньше кТ, то это взаимодействие просто не будет заметно на фоне «шума». Киршвинк и Гоулд показали, что энергия взаимодействия однодоменных кристаллов в их моделях может быть равна или больше кТ, т. е. механизм «постоянного магнита» представляется вполне вероятным.
Второе свойство магнетита, которое могло бы использоваться в магниторецепторе, суперпарамагнетизм, несколько сложнее. Частицы магнетита, имеющие размеры меньше, чем размер одиночного стабильного домена, тем не менее обладают собственными магнитными моментами и в отличие от парамагнетиков сохраняют их в отсутствие внешнего поля. Однако направление этих моментов нестабильно и имеет тенденцию отслеживать направление внешних полей. В отсутствие внешнего поля достаточной величины моменты распределяются случайным образом в соответствии с тепловыми колебаниями. Таким образом, направление вектора магнитного момента суперпарамагнитной частицы можно изменить, не приводя ее в движение. Как и в случае одно доменного механизма «стрелки компаса» (Gould, 1980b), многочисленные «супер-парамагнитные» рецепторы также вполне допустимы (Kirschvink, Gould, 1981), хотя интуитивно это менее очевидно. На рис. 18.9 показан пример такого гипотетического рецептора. Это эластичный, детектирующий натяжение стержень, в который встроен ряд суперпарамагнитных частиц. При наложении перпендикулярно стержню внешнего поля магнитные моменты частиц в результате переориентирования параллельно полю начинают отталкиваться друг от друга, и стержень удлиняется.
Если внешнее поле параллельно длинной оси стержня, магнитные моменты ориентируются друг за другом, частицы взаимно притягиваются, и стержень сокращается. Если несколько таких рецепторов расположены соответствующим образом, то животное сможет измерять и величину, и направление (но не полярность) окружающего поля (с одним стержнем нельзя было бы отличить величину от направления). Как и для однодоменных моделей, в этом случае энергия взаимодействия достаточно велика по сравнению с тепловым «шумом», и при наличии соответствующего числа частиц не исключено, что генерируемые силы могут быть зарегистрированы нервной системой (Kirschvink, Gould, 1981).
6.3. Магниты пчел
Пчелы, по-видимому, обладают магнетитом, из которого может быть создан как постоянный магнит, так и суперпарамагнитный детектор. Исходя из имеющихся данных, нельзя сказать, какой из этих механизмов (если не оба) используется. Впервые постоянные магнитные моменты у пчел обнаружили Гоулд с соавторами (Gould et al., 1978). Эти моменты ориентированы поперек длинной оси тела пчелы в горизонтальной плоскости и, вероятнее всего, создаются моментами многочисленных однодоменных частиц магнетита. Согласно описанным выше моделям (Kirschvink, Gould, 1981; Kirschvink, 1981), способность пчел чувствовать магнитные поля можно разумно объяснить наличием этих однодоменных частиц. Гоулд и др. (Gould et al., 1980), однако, обнаружили, что некоторые из исследованных пчел не обладают постоянным магнитным моментом, но тем не менее могут ориентировать свои горизонтальные танцы в соответствии с внешними полями. Аналогично вели себя пчелы, которые предварительно были искусственно «размагничены» в сильном переменном поле. Эти факты свидетельствуют против гипотезы «постоянного магнита», но не позволяют полностью исключить ее по двум причинам. Во-первых, однодоменные частицы пчел, вероятно, обладают сильной анизотропией (Gould et al., 1978) и имеют тенденцию выстраивать свои магнитные моменты вдоль длинных осей. Поэтому процедура размагничивания переменным полем (Gould et al., 1980) делает расположение моментов частиц неупорядоченным, но при этом момент каждой частицы будет случайным образом ориентирован в одном из только двух возможных направлений вдоль длинной оси. Если у пчелы магнитные моменты одной половины частиц ориентированы в одну сторону, а другой половины-в противоположную, то суммарный момент равен нулю, и «размагниченные» пчелы не будут обладать собственным магнитным полем. Однако случайной при этом стала лишь полярность полей частиц, в то время как их оси не изменились. Если бы для используемого пчелами детектора с постоянным магнитом полярность была безразлична-как, например, в случае простого детектора вращающего момента «стрелки компаса» (другие примеры см. Kirschvink, Gould,
