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15.9J: Magnetorreceptores - Biología

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Se ha encontrado evidencia de la capacidad de alterar su comportamiento en respuesta al campo magnético de la tierra en muchos animales, incluidas tortugas marinas, aves, peces (especialmente comunes en los que migran), abejas, ratones, así como en algunos animales. bacterias.

Algunos ejemplos:

  • Las palomas mensajeras se desorientan cuando se colocan imanes a los lados de la cabeza. Sin embargo, esta desorientación ocurre solo en días nublados, lo que sugiere que su capacidad para navegar por señales magnéticas es un sistema de respaldo.
  • Ratones de madera, sacados de su territorio de origen a una nueva ubicación a 40 metros de distancia, normalmente se orientan hacia su hogar (lado izquierdo de la figura). Pero si, mientras se mueven, se exponen a un campo magnético que es solo el reverso del campo magnético de la tierra, y no se les permite ver el terreno circundante, se orientan lejos de su hogar (lado derecho de la figura). .

Izquierda: orientación tomada por ratones de madera individuales después de ser sacados de su casa en una caja cerrada. Derecha: el mismo experimento, excepto que los ratones fueron sometidos a un campo magnético inverso cuando fueron trasladados de su hogar. Cada punto representa la orientación tomada por un mouse. La flecha dentro de cada círculo indica el promedio de todos los ratones. Los ratones se transportan en una caja abierta para que puedan ver los puntos de referencia y orientarse correctamente, estén o no expuestos a un campo magnético anormal. (Basado en el trabajo de Mather y Baker, Nature, 291: 152, 1981.)

Zorzal ruiseñorLuscinia luscinia) migran en el otoño del norte de Europa al África ecuatorial. Interrumpen su migración con una escala en el norte de Egipto donde se alimentan y aumentan de peso. Esta escala presumiblemente les proporciona las reservas de energía que necesitan para volar sin alimentarse a través del desierto del Sahara.

Fransson y sus colegas informan en la edición del 1 de noviembre de 2001 de Naturaleza que cuando confinaron aves ingenuas (nacidas en Suecia esa primavera) en Suecia pero las expusieron a un campo magnético característico del norte de Egipto, las aves procedieron a aumentar de peso como si hubieran llegado a Egipto (y tres veces más de lo que las aves de control mantenían en el campo magnético normal de Suecia).

Receptores que detectan campos magnéticos

La ubicación y el mecanismo de acción de los receptores en estos animales sigue siendo un enigma. Granos microscópicos de magnetita (FeO.Fe2O3), un material magnético, se han encontrado en abejas y palomas, pero se desconoce si estos podrían funcionar como receptores y cómo.

Ciertas bacterias se orientan en campos magnéticos tan débiles como los de la tierra y esto está mediado por granos de magnetita dentro de la célula. También hay evidencia de que las aves y los anfibios pueden complementar su sentido magnético mediante la interacción de los campos magnéticos y de luz en las moléculas de criptocromo en su interior. retina. La habilidad de Drosophila responder a los campos magnéticos depende de la luz azul y el criptocromo.

  • En ausencia de luz azul, las moscas no responden a un campo magnético.
  • Las moscas mutantes que carecen de criptocromo son igualmente insensibles a los campos magnéticos.
  • Sin embargo, las moscas mutantes cuyos propios genes de criptocromo han sido reemplazados por el gen humano responden normalmente a un campo magnético mientras se exponen a la luz azul.

Cómo los humanos detectan los campos magnéticos

El jurado aún está deliberando. Existe alguna evidencia de que los humanos pueden detectar la orientación de los campos magnéticos. Tanto el criptocromo como la magnetita se encuentran en los seres humanos, pero su presencia puede no tener nada que ver con la magnetorrecepción.


Etiqueta: Magnetorreceptores

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Introducción

Una gran variedad de animales poseen un sentido magnético. Las aves migratorias usan pistas magnéticas (además de la polarización de la luz, los signos de las estrellas, la posición del sol) para encontrar su camino hacia el sur en otoño y el norte en primavera. Las salamandras, las ranas, utilizan el campo magnético para orientarse cuando tienen que encontrar rápidamente la dirección de la orilla más cercana, por ejemplo, cuando perciben un peligro.

Los experimentales del comportamiento han utilizado estos patrones de movimiento natural para diseñar experimentos que les permitan investigar de qué manera se utiliza la información geomagnética para la orientación. Por ejemplo, durante los disturbios migratorios (Zugunruhe), las aves están tan ansiosas por migrar que se reunirán incluso en jaulas en la dirección a la que quieren migrar, por ejemplo, al sur en otoño. Si se cambia el campo magnético, de modo que el sur magnético aparezca en una dirección diferente, las aves se reunirán en esta nueva dirección. Este ensayo de comportamiento fue utilizado en 1966 por Wolfgang Wiltschko de la Universidad de Frankfurt, Alemania, para demostrar por primera vez que las aves migratorias efectivamente usan pistas magnéticas.

Aunque el uso del campo geomagnético para información direccional está bien establecido experimentalmente, no se sabe por qué mecanismo biofísico se logra la magnetorrecepción. El sentido magnético es quizás el último mecanismo de percepción para el que se desconoce la naturaleza de los receptores y del mecanismo biofísico.


Discusión

Aunque el campo de polarización por sí solo no afectó el comportamiento, el pulso magnético, como antes, tuvo un marcado efecto secundario en la orientación de los ojos plateados australianos. Su respuesta bimodal al pulso administrado en presencia del campo de polarización es algo diferente de las tendencias unimodales hacia el extremo este de este eje observadas en dos estudios previos (W. Wiltschko et al., 1994, 1998). Sin embargo, en vista de la hipótesis probada, está claro que el efecto no fue el esperado bajo el supuesto de cadenas de magnetosomas móviles sensibles a la polaridad. Si tales cadenas fueran parte del magnetorreceptor involucrado en el comportamiento migratorio, se habría predicho una marcada diferencia en las respuestas de los dos grupos, mostrando las aves ANTI una respuesta mucho mayor que las aves PAR. Obviamente, esto no es lo que observamos. En cambio, las aves respondieron de la misma manera, independientemente de la dirección del campo de sesgo. Por lo tanto, nuestros hallazgos argumentan en contra de la hipótesis inicial de que las partículas de dominio único que se mueven libremente son parte de un receptor basado en magnetita sensible a la polaridad.

¿Qué tipo de magnetorreceptor sugiere la respuesta de las aves y, respectivamente, qué tipo de receptor es compatible con nuestros resultados? Una posibilidad es que un magnetorreceptor contenga dominios únicos con libertad de movimiento limitada en condiciones normales, por lo que algunos de ellos no se habían alineado en el campo de polarización y, como consecuencia, se remagnetizaron en la situación de PAR. Los magnetorreceptores, que han evolucionado para extraer una señal de intensidad del campo geomagnético, no necesitan necesariamente tener un rango completo de movimiento (para una discusión, ver Kirschvink y Gould, 1981 Kirschvink y Walker, 1985). Es probable que un pulso magnético, aplicado a magnetosomas que no se muevan libremente, produzca cadenas que estén magnetizadas de forma heterogénea. Es imposible decir qué podría significar la salida de un receptor alterado de esta manera para las aves, podría resultar en comportamientos similares a los reportados en los estudios anteriores (W. Wiltschko et al., 1994, 1998) u observados en el presente. .

Sin embargo, otra posibilidad es que la idea de un receptor de intensidad aviar basado en dominios individuales dispuestos en cadenas podría no ser correcta. Un aspecto de los experimentos de pulso anteriores (Wiltschko et al., 1994, 1998) que siempre ha sido difícil de explicar es la corta duración del efecto. Se observó un efecto claro solo el día del tratamiento en sí y el día después del mismo, después de una semana de aparente desorientación, los migrantes regresaron a su dirección migratoria normal (W. Wiltschko et al., 1994, 1998). Debido a que la remagnetización de dominios individuales debería ser tan estable como el original, es difícil ver cómo se podría restaurar el estado anterior y hay que recurrir a supuestos auxiliares. Una posibilidad es que algunos mecanismos aún desconocidos permitan que las partículas se realineen gradualmente en su posición original durante un intervalo de tiempo de una semana, "curando" y permitiendo que las aves recuperen su comportamiento normal. Las partículas de dominio único magnetizadas en direcciones opuestas al resto de la cadena representarían un estado de alta energía, por lo que parece posible que los extraños cristales de magnetita vuelvan a girar para alinearse dentro de la estructura del receptor. Esto podría conducir a cadenas enteras de partículas magnetizadas de manera opuesta a su magnetización original, pero si es solo la magnitud del momento magnético de las partículas, no su polaridad, lo que determina la salida del receptor (ver Kirschvink y Walker, 1985), esto no afectaría su funcionalidad. Por el contrario, no podemos excluir la posibilidad de que el desvanecimiento del efecto refleje una respuesta puramente conductual. Aunque la recalibración de un componente de un sistema de localización de posición parece difícilmente posible mientras las aves estén restringidas al pequeño espacio de una jaula (en contraste con las palomas que son liberadas y se quedan en casa a distancias considerables ver Beason et al., 1997), pueden darse cuenta de una discrepancia continua entre la entrada de un receptor basado en magnetita y otras señales involucradas en un "mapa" multifactorial. Esto podría hacer que simplemente ignoren la información de ese receptor, recurriendo a su dirección migratoria innata.

Los estudios histológicos que buscan partículas de magnetita en aves aún no han producido evidencia clara de dominios individuales. Se han encontrado cadenas de magnetosomas, similares a las descritas en bacterias, en peces, otro grupo de vertebrados (Mann et al., 1988 Diebel et al., 2000). En las aves, los dominios individuales se indicaron principalmente mediante mediciones de propiedades magnéticas (Walcott et al., 1979 Beason y Nichols, 1984 Beason y Brennon, 1986 Edward et al., 1997) los cristales aislados de magnetita de los que se obtuvieron imágenes (Kirschvink y Walker, 1986) había sido extraído de la cabeza de las palomas sin ninguna indicación de su posición original. Se han identificado depósitos de hierro en el tejido, en parte asociados con fibras del nervio oftálmico, utilizando azul de Prusia (Beason y Nichols, 1984 Williams y Wild, 2001), pero no se ha demostrado si en realidad son magnetita. En resumen, los cristales de dominio único como tales aún no se han demostrado en su posición natural incrustados en el tejido como parte de un receptor en las aves, sin embargo, tampoco se puede excluir la existencia de un número relativamente pequeño de dominios únicos necesarios para explicar el comportamiento magnetorreceptivo. . Hanzlik y col. (2000) y Winklhofer et al. (2001) identificaron recientemente partículas de magnetita del tamaño mucho menor de los granos superparamagnéticos (SPM) en la piel del pico superior de las palomas, es decir, en la región de los campos receptivos del nervio oftálmico. Se encontraron dentro del subcutis, dispuestos en grupos bien definidos rodeados por una vaina de neurofilamentos.

Dado que los cristales superparamagnéticos no tienen momentos magnéticos estables, su magnetización no se ve afectada por el pulso de manera similar, el pulso apenas causaría torsión física o traslaciones, por lo que los desplazamientos significativos de los cristales o daños mecánicos de la estructura del receptor parecen ser bastante improbables. En vista de esto, es difícil ver cómo el pulso podría afectar a un receptor basado en partículas superparamagnéticas para causar el efecto observado. Sin embargo, un pulso de aproximadamente 10.000 veces la intensidad del campo terrestre representa una señal extremadamente fuerte para cualquier receptor que detecte la intensidad magnética. La naturaleza de las estructuras que transmiten las señales aún se desconoce. No se puede excluir totalmente un deterioro temporal de un receptor construido para registrar diferencias de intensidad diminutas.

Nuestro estudio conductual puede, por tanto, excluir la hipótesis de que las cadenas móviles libremente de dominios individuales son un componente del posible receptor, pero no nos permite decidir entre las otras posibilidades. Se sabe poco sobre el tamaño específico de las partículas de magnetita en las aves y en qué estructura están incrustadas. Hasta ahora, sólo se dispone de estudios más detallados para los peces salmónidos (Walker et al., 1997 Diebel et al., 2000). Un trabajo reciente de Williams y Wild (2001) indica claramente que las estructuras que contienen hierro en el pico de las palomas, aunque también inervadas por una rama del nervio trigémino, son diferentes en ubicación y estructura. Aquí, debemos esperar nuevos estudios histológicos que identifiquen partículas de magnetita. en el lugar en el tejido de las aves y, al mismo tiempo, muestran detalles de la estructura del receptor y las conexiones con el sistema nervioso.