Перелетные птицы перемещаются на большие расстояния, когда перемещаются между местами размножения и зимовками.
Наблюдения за перелетными птицами были впервые зарегистрированы древними греками более 3000 лет назад, и долгое время это было одной из великих загадок Природы, как они находят свой путь, отправляясь в путешествие на тысячи километров.
В 2000 году исследователи предположили, что белок в птичьем глазу помогает им получать информацию от света и преобразовывать ее в маршрут путешествия: внутренний магнитный компас.
С тех пор основные сенсорные механизмы, лежащие в основе этой магниторецепции, оставались неуловимыми.
Исследования европейской малиновки
Чтобы разгадать загадку, исследовательская группа Университета Южной Дании объединила свои усилия с коллегами из Университета в Ольденбурге, Германия.
Команда провела серию исследований и симуляций, которые раскрыли детальное положение и характер внутреннего компаса.
Их работа включает исследования европейских малиновок (Erithacus rubecula), секвенирование и компьютерную микроскопию глаз птиц.
«Мы считаем, что у нас есть веские доказательства того, что можно определить правильную молекулу магниторецептора у перелетных птиц», – сказал Илья Соловьев, доцент Университета Южной Дании.
Исследование опубликовано в журнале Current Biology.
Птицам нужен свет для их внутреннего компаса
Илья Соловьев – физик-теоретик, вычислительный биофизик и руководитель группы квантовой биологии и вычислительной физики Университета Южной Дании.
"Чувство магнитного компаса у перелетных птиц зависит от света, и мы хотели выяснить, какой белок играет важную роль.
Теории ходили вокруг так называемых криптохромов, но эти загадочные белки бывают самых разных вариаций – так какой из них??, "он сказал. Криптохромы относятся к большой группе белков, присутствующих во всех живых организмах, от растений до животных.
У растений и различных видов животных они, среди прочего, участвуют в циркадных часах и помогают растению или животному различать ночь и день. У млекопитающих они обычно локализуются в ядрах клеток.
Химическая реакция, на которую влияет направление магнитного поля Земли
На сегодняшний день четыре разных криптохрома были обнаружены в сетчатке глаза у нескольких видов птиц. Исследователи заключают, что три из них не имеют отношения к магниторецепции.
«Но четвертый, Cry4, кажется, существенно отличается от членов своей семьи», – сказал Илья Соловьев.
Когда свет попадает на криптохромы в глаза перелетной птицы, они вступают в химические реакции, на которые влияет направление магнитного поля Земли, обеспечивая сигнал об ориентации птицы.
Повышенная молекулярная активность в периоды миграции
В своей лаборатории экспериментальные исследователи из Ольденбурга в Германии под руководством профессора Хенрика Моуритсена сравнили уровни экспрессии криптохромов во время весенних и осенних миграционных сезонов относительно немиграционных сезонов у европейских малиновок.
Они обнаружили, что уровень экспрессии Cry4 в сетчатке европейской малиновки значительно выше во время миграционного сезона по сравнению с немигрирующими сезонами.
"Это убедительный показатель того, что ответственным за это белок действительно является криптохром 4."
20000 часов работы за компьютером
Исследователи продолжили определение структуры и локализации Cry4s в сетчатке глаза. Они секвенировали мигрирующую европейскую малиновку Cry4 из сетчатки и использовали ее для предсказания структуры белка Cry4.
Эта работа включала примерно 20 000 узловых часов на суперкомпьютере ABACUS в SDU, а это означает, что если бы они запустили моделирование на одном вычислительном узле (который имеет 24 процессора), это потребовало бы 20000 часов. Если бы такую же работу проделали на обычном ноутбуке, на это ушло бы 15 лет.
«Структура Cry4 уникальна. Он имеет структурные мотивы, которые хорошо согласуются с косвенными измерениями и демонстрируют явные отличия от других криптохромов растений и насекомых », – сказал Илья Соловьев.
Более того, было обнаружено, что Cry4 специфически экспрессируется в одной очень специфической части сетчатки; а именно внешний сегмент двухконусных фоторецепторных клеток.
Эти новые знания могут помочь защитить дикую природу
Внутренний компас встречается не только у перелетных птиц, но и у других животных, таких как пчелы.
"Понимание этих внутренних компасов у животных может дать нам фундаментальные знания о природе и, возможно, мы сможем использовать их для защиты дикой природы.
Многие птицы погибают на ветряных мельницах, потому что им мешает турбулентность вокруг мельниц. Если бы мы знали, какие магнитные поля существуют вокруг мельниц, возможно, мы могли бы построить какую-то защитную зону вокруг мельниц », – сказал Илья Соловьев.
Группа квантовой биологии и вычислительной физики (QuantBioLab) в SDU: Особый интерес представляют те биологические процессы, которые запускают преобразование энергии в формы, которые могут использоваться для химических превращений и являются квантово-механическими по своей природе.
Такие процессы включают химические реакции, поглощение света, образование возбужденных электронных состояний, перенос энергии возбуждения и перенос электронов и протонов в химических процессах.