Cảm giác hấp dẫn

Cảm giác hấp dẫn

Oleg Ovechkin
"Cơ học phổ biến" №9, 2015

Không phải tất cả các sinh vật trên cạn đều bị giới hạn bởi những cảm giác sẵn có cho con người. Một số trong chúng có những khả năng siêu việt đặc biệt – ví dụ, chúng có thể được định hướng trong không gian dọc theo từ trường của trái đất. Trong một thời gian dài, cơ chế của "cảm giác từ tính" này đã gây tranh cãi, nhưng năm 2015 có thể chấm dứt cuộc tranh luận.

Từ trường học, chúng ta biết loại năng lượng nào bảo vệ tất cả sự sống trên hành tinh của chúng ta khỏi gió mặt trời chết người: nó là từ trường của trái đất được tạo ra bởi sự chuyển động của lõi hành tinh lỏng và phản xạ bức xạ vũ trụ nguy hiểm. Trên bề mặt Trái Đất, rất khó để tìm ra một nơi mà bạn có thể cô lập bản thân khỏi lĩnh vực này. Và trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta, chúng ta hiếm khi nhận thấy tác động của nó.

"Chúng tôi", tuy nhiên, nó chỉ là Homo sapiens. Một loài mà, thường được cho là chỉ sở hữu 5 giác quan “truyền thống”: thị giác, thính giác, khứu giác, mùi vị và vị giác. Bản chất không bị giới hạn trong mô hình của "năm giác quan". Sự tiến hóa đã tạo ra những sinh vật có thể cảm nhận một bức tranh hoàn chỉnh về thực tế vật chất hơn con người, sử dụng những cảm giác tuyệt vời như định hướng trong không gian dọc theo từ trường của trái đất trong kho vũ khí giác quan của họ.Hiện tượng này – cảm giác của từ trường – được gọi là từ tính. Nhưng những sinh vật nào và để giải quyết những nhiệm vụ nào có thể là một cảm giác kỳ lạ bởi tiêu chuẩn của con người là cần thiết?

Sinh vật nhạy cảm từ tính

"Động vật như chim và bướm thường xuyên vượt qua các lục địa rất lâu trước khi một người đàn ông phát minh ra một chiếc máy bay. Giống như phi công, những con vật này dựa vào một công cụ quan trọng, la bàn, để đạt được một điểm đến vào ban đêm hoặc trong sương mù" Chuyên gia về thần kinh học Jonathan Pierce-Shimomura từ Đại học Texas ở Austin.

Lần đầu tiên, các nhà khoa học nhận thấy chim rất nhạy cảm với từ trường của Trái đất, vào cuối thế kỷ XIX. Sau đó, hai cuộc chiến tranh thế giới đã xảy ra, trong đó các chim bồ câu gửi thư đã được sử dụng tích cực để cung cấp các thông điệp quan trọng. Trong Chiến tranh thế giới thứ hai, Đồng minh đã mang 16.000 con chim thư đến lục địa châu Âu. Chỉ có 1% tin nhắn được gửi với chim bồ câu đã được mã hóa – những con chim tìm thấy người nhận của họ chính xác đến mức các biện pháp phòng ngừa bổ sung là không cần thiết.

Khi vinh quang quân sự của chim bồ câu đến với cộng đồng khoa học, các nhà khoa học tự hỏi điều gì làm cho những con chim này trở thành những người điều khiển khéo léo?

Những thập kỷ sau đã được dùng để cố gắng xác nhận và giải thích hiện tượng này. Những loại khả năng mà chim bồ câu tìm thấy: khả năng “nghe” các tần số cực thấp, xem tia cực tím, định hướng bởi các vì sao và mặt trời. Tuy nhiên, ngay cả một danh sách ấn tượng như vậy cũng không đủ để giải thích khả năng của chim bồ câu và một số loài chim khác tự định hướng trong không gian và xác định vị trí của chúng liên quan đến tổ có điều kiện.

Chỉ vào giữa những năm 1960, bụi đã bị lung lay khỏi giả thuyết của sự nhạy cảm, và quan điểm của những thời điểm đó đã được thử thách (lúc đó mọi người tin rằng chim được sử dụng chủ yếu cho sự định hướng của các ngôi sao và Mặt trời). Lúc đầu, nhà khoa học người Đức Hans Fromm nhận thấy rằng những con chim, ngay cả trong một căn phòng biệt lập nơi Mặt trời và các ngôi sao không nhìn thấy được, không mất khả năng tự định hướng. Fromm cho rằng trường hợp trong từ trường, nhưng các thí nghiệm tiếp theo với việc đặt chim trong từ trường nhân tạo không đưa ra kết quả đáng kể nào.

Sau đó, Wolfgang Viltshko, cũng đến từ Đức, đã quyết định tiến hành thí nghiệm của riêng mình để kiểm tra xem nguyên nhân của hiện tượng này có phải là sự nhạy cảm của chim đối với phát xạ vô tuyến hay không.Wiltshko sử dụng cùng một căn phòng bằng thép như Fromm: một thiết bị được thiết kế để mô phỏng các điều kiện của không gian che chắn một phần từ trường của trái đất. Anh giữ lũ chim ở trong căn phòng này lâu hơn Fromm. Ba ngày sau, với sự ngạc nhiên của anh, nhà khoa học đã phát hiện ra rằng những con chim đã học được thành công để di chuyển dọc theo các dòng từ trường yếu mà chúng tự tìm thấy. Đây là thí nghiệm đầu tiên chứng minh đáng tin cậy từ tính ở động vật.

Hóa ra Fromm giữ chim ở những từ trường quá mạnh, không thể tiếp cận được với nhận thức của chúng. Wiltshko cũng sử dụng từ trường yếu và kết quả được lặp lại. Trong một bài báo năm 1966, nhà khoa học tóm tắt: “Đập không được định hướng nếu bạn giữ chúng trong từ trường rất yếu. Tuy nhiên, nếu bạn giữ chúng trong một trường như vậy trong hơn ba ngày, chúng có thể định hướng lại và nếu bạn thay đổi thành phần nằm ngang của từ trường yếu này, thay đổi từ ở phía bắc, những con chim sẽ xem xét những thay đổi này. "

Sau đó, vào năm 1972, thuật ngữ "magnetoreception" xuất hiện. Nghiên cứu mới thu hút nhiều nhà khoa họcvà đến năm 2015, họ đã có thể phát hiện khả năng từ tính của chúng trong vi khuẩn (gọi là magnetotactic), gà trong nhà, động vật có vú như chuột rừng châu Âu và máy đào Zambia, cũng như ở một số loài dơi, cáo và hươu.

Da nâu từ chi của những con dơi kiểu dáng đẹp được dẫn dắt bởi từ trường của trái đất trong chuyến bay. Khả năng magnetoreception cũng được tìm thấy ở các động vật có vú khác, bao gồm chuột, nốt ruồi và thậm chí cả hươu.

Mặc dù có sự tiến bộ rõ rệt trong nghiên cứu từ tính, các nhà khoa học vẫn không thể đồng ý về câu trả lời cho một câu hỏi quan trọng: cơ chế sinh lý của "ý nghĩa từ tính" là gì? Nói cách khác, chính xác phần nào của cơ thể và chúng chịu trách nhiệm về nó như thế nào?

Navigator trong mỏ

"Mặc dù đã rõ ràng rằng động vật sử dụng độ nhạy cảm với từ trường của Trái đất để di chuyển trong không gian, cơ chế của khả năng này vẫn chưa rõ ràng. Chúng có sử dụng mắt hoặc tai không? Từ trường của hành tinh chúng ta dễ dàng đi qua cơ thể động vật, vì vậy" cảm biến "thậm chí có thể sâu bên trong não, "Giáo sư Pierce-Shimomura nói.

Hai giả thuyết được phát triển như là kết quả của nhiều thí nghiệm được coi là cơ bản. Đầu tiên là sự hiện diện của nam châm ở một số bộ phận của cơ thể (Fe3O4), – oxit sắt, nam châm mạnh nhất trong số tất cả các khoáng chất tự nhiên từng được phát hiện trên Trái Đất. Người ta cho rằng khi tiếp xúc với từ trường của Trái đất, khoáng chất này sẽ từ hóa, trong quá trình truyền tín hiệu dễ hiểu tới bộ não của động vật.

Vào cuối thế kỷ 20, các nam châm được tìm thấy trong các mỏ của một số loài chim, kể cả chim bồ câu. Các nhà khoa học đã gợi ý rằng những khoáng chất này chịu trách nhiệm cho công việc của "la bàn nội bộ". Nhưng nghiên cứu vào đầu thế kỷ XXI, nhiều người đã buộc phải từ bỏ ý tưởng này. Đặc biệt, vào năm 2005 một tác phẩm xuất hiện trong đó nó được chứng minh rằng các magnetit trong các mỏ của chim bồ câu không phản ứng với từ trường của Trái Đất. Và vào năm 2012, một nhóm các nhà khoa học từ Đại học London đã có thể chứng minh rằng chính các tế bào có từ tính trước đây được tìm thấy trong các mỏ bồ câu thực sự là đại thực bào, không có khả năng truyền tín hiệu điện. Phát hiện này tự động tước đi những tế bào chịu trách nhiệm cho sự từ tính, làm hại đáng kể hình ảnh của giả thuyết “magnetite”.

Giả thuyết thứ hai, đã trở nên phổ biến từ những năm 2000, dựa trên các nghiên cứu về protein mã hóa quang học (phần màu xanh của quang phổ) của cryptochrome, nằm trong võng mạc của mắt.Cryptochrome liên quan đến việc điều chỉnh thời gian ban ngày, hoặc nhịp sinh học, nhịp điệu ở động vật và thực vật. Hơn nữa, có hai loại protein này: loại đầu tiên được tìm thấy độc quyền trong các động vật không xương sống và điều chỉnh nhịp điệu hàng ngày theo cách phụ thuộc ánh sáng; cryptochrome của loại thứ hai cũng là đặc trưng của động vật có xương sống và, rất có thể, điều chỉnh nhịp điệu ban ngày không phân biệt ánh sáng.

Theo kết quả của các thí nghiệm được tiến hành để làm rõ vai trò của cryptochrome trong cơ chế magnetoreception, cả hai loại protein có thể có thể liên quan đến sự hình thành "cảm giác từ tính". Một trong những nghiên cứu nổi tiếng và minh họa nhất trong lĩnh vực này được thực hiện vào năm 2008 bởi một nhóm từ Đại học Massachusetts. Ruồi Drosophila được đặt trong một mê cung được chiếu sáng đặc biệt, nơi chúng được dạy để ăn gần nguồn gốc của trường điện từ. Trong quá trình thử nghiệm, những con ruồi không thể tìm thấy con đường đến đáy của chúng sau khi các nhà khoa học "tắt" cryptochrome của chúng bằng cách chặn khu vực màu xanh và ánh sáng cực tím trong quang phổ của mê cung. Khi cryptochrome được "bật", côn trùng một lần nữa có thể dễ dàng tìm thấy một nam châm feeder.

Những kết quả này cho phép các nhà khoa học cho rằng cryptochrome vẫn đóng một vai trò nhất định trong sự hình thành "cảm giác từ tính" ở động vật.Về mặt sinh lý, các phản ứng hóa học đặc biệt, được gọi là các cặp cực đoan, có thể chịu trách nhiệm thực hiện một chức năng như vậy: khi tiếp xúc với ánh sáng của một bước sóng nhất định, hai phần của một phân tử (hoặc chỉ là các phân tử gần nhau) có thể kích hoạt phản ứng tầng biến đổi thành tín hiệu cho một tế bào chứa phân tử này. Các tế bào, lần lượt, có thể truyền tín hiệu này đến não. Đó là cơ chế này có thể nhấn mạnh sự tham gia của cryptochrome trong quá trình magnetoreception.

Ăng-ten từ tế bào thần kinh

Ngày 17 tháng 6 năm 2015 trên trang web của tạp chí eLife Một bài báo đã được xuất bản mà hít thở cuộc sống mới vào lĩnh vực nghiên cứu từ tính. Lần đầu tiên, các nhà khoa học tìm ra các nơ-ron nhạy cảm với từ trường của trái đất và chứng minh rằng chúng chịu trách nhiệm cho công việc của "cảm giác từ tính" trong một con vật – trong trường hợp này, tuyến trùng trong giun C. elegans.

Sao từ thế giới của giun
Không giống như nhiều giun tròn (tuyến trùng), Caenorhabditis elegans không ký sinh, nhưng sống "tự do". C. elegans là sinh vật đa bào đầu tiên có bộ gen được giải trình tự hoàn toàn. Những tuyến trùng này có hai giới tính: con đực và lưỡng tính ') "> Sao từ thế giới của giun
Không giống như nhiều giun tròn (tuyến trùng), Caenorhabditis elegans không ký sinh, nhưng sống "tự do". C. elegans là sinh vật đa bào đầu tiên có bộ gen được giải trình tự hoàn toàn. Những tuyến trùng này có hai giới: đực và lưỡng tính "border = 0> Sao từ thế giới của giun
Không giống như nhiều giun tròn (tuyến trùng), Caenorhabditis elegans Nó không ký sinh, nhưng sống "tự do". C. elegans – đây là sinh vật đa bào đầu tiên có hệ gen được giải trình tự hoàn toàn. Những tuyến trùng này có hai giới: đực và lưỡng tính

Chuyên gia tư vấn của chúng tôi, Giáo sư Pierce-Shimomura, một trong những tác giả của nghiên cứu này, đã mô tả cách mà nhóm nghiên cứu của phòng thí nghiệm khoa học của ông đã tìm ra được điều này. Tuyến trùng C. elegans Không phải ngẫu nhiên mà họ đã được chọn: trước đó khi nghiên cứu sâu của loại này, họ tìm thấy các phân tử chịu trách nhiệm về mùi và cảm ứng, mà hóa ra, cũng được các động vật khác sử dụng, kể cả con người.

Nhân viên phòng thí nghiệm nhận thấy rằng C. elegans khi di chuyển vì một lý do nào đó có xu hướng nam châm cho tủ lạnh. Để tìm hiểu xem liệu điều này có liên quan đến sự từ tính hay không, các nhà khoa học đã quyết định kiểm tra xem sâu sẽ di chuyển như thế nào trong điều kiện từ trường động. Giun đã được đưa vào một ống đặc biệt, xung quanh đó tạo ra từ trường nhân tạo.Khi đường ống được định hướng phù hợp với các cực từ (ví dụ, bắc-nam, tây-đông), tuyến trùng thu thập dọc theo đường ống một cách ngẫu nhiên. Trong điều kiện hướng dọc của đường ống, giun bắt đầu bò liên tục xuống.

"Cảm giác đáy của sâu nhận được từ từ trường của Trái Đất, bởi vì khi chúng ta thay đổi từ trường nhân tạo xung quanh ống, tuyến trùng bắt đầu leo ​​lên," – giáo sư nói. Hành vi của tuyến trùng hoàn toàn phù hợp với cách thức những con giun này thường di cư ở bán cầu nam, nơi mà từ trường hướng lên trên. Để xác định cách C. elegans cảm nhận từ trường của Trái đất, các nhà khoa học đã từng điểm đã phá hủy một tập hợp các tế bào thần kinh cảm giác của giun với sự trợ giúp của các đột biến đặc biệt. Thiệt hại cho một bộ tế bào thần kinh cảm giác như vậy, được gọi là các tế bào thần kinh AFD, dẫn đến sự không có khả năng của giun để định hướng từ tính và để ngăn chặn chuyển động thẳng đứng.

Các nhà khoa học sau đó phát hiện ra rằng các tế bào thần kinh AFD có thể được kích hoạt bằng từ trường. Phản ứng nơron tương ứng đã thu được ngay cả sau khi phá hủy các kết nối khớp thần kinh của nó. Điều này chứng minh rằng các tế bào thần kinh AFD tự nhạy cảm với từ tính.

"Các tế bào thần kinh AFD ở hai đầu của chúng có cấu trúc giống như ăng ten ấn tượng,có thể hoạt động giống như một la bàn của kích thước nano và uốn cong theo từ trường của Trái đất ", – giải thích giáo sư.

Theo nhà khoa học, nghiên cứu sâu hơn về các phân tử cung cấp từ tính C. elegans, có thể dẫn đến việc phát hiện các phân tử ẩn tương tự ở các động vật khác, ví dụ như chim và bướm.

Do đó, khám phá hoàn hảo không chỉ làm sâu sắc thêm sự hiểu biết của chúng ta về hiện tượng magnetoreception ở động vật, mà còn có thể đưa chúng ta đến gần hơn với một mô tả đầy đủ về cơ chế sinh lý của khả năng tuyệt vời này.


Like this post? Please share to your friends:
Trả lời

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: