Сила притяжения

Как птицы и муравьи ориентируются по силовым линиям магнитного поля Земли? Есть ли у клеток, составляющих человеческое тело, «глаза и уши»? Что такое оптогенетика и магнитогенетика? Об этом и многом другом рассказал кандидат биологических наук, научный сотрудник Московского физико-технического института и Московского государственного университета, руководитель стартапа MagnyCell Илья ЗУБАРЕВ, который посетил Смоленск в рамках федерального проекта сети информационных центров по атомной энергии «Энергия науки».

Внутренний компас

– Многие знают, что некоторые животные используют для навигации геомагнитное поле Земли, – начал своё первое выступление спикер. – У них есть что-то вроде встроенного компаса, который всегда подскажет дорогу. Этим методом способны пользоваться как крупные организмы вроде рыб или птиц, так и самые простые.

Например, на нашей планете существует маленькая группа бактерий, у которых есть крохотные органеллы – магнетосомы. Внутри бактерий они могут быть объединены в цепочки, и их число иногда насчитывает несколько десятков или даже сотен. С помощью такого маленького «компаса» бактерии прекрасно чувствуют, где юг, а где север, и благодаря этому находят необходимую им пищу и наиболее пригодные места обитания, мигрируя вдоль линий магнитного поля.

– Живут такие бактерии чаще всего на морском дне или на дне рек. Учёные объясняют эту особенность тем, что бактериям нужны слои ила с минимальной концентрацией кислорода. И умение ориентироваться в пространстве приводит к тому, что они без проблем движутся всё ниже и ниже. Затем, достигнув нужной глубины, оседают на иловые частицы, – добавил Илья. – Если говорить о еде, они предпочитают питаться железной рудой, и найти её опять же помогает магниторецепция. Очень удобно: ты всегда чувствуешь, где еда, ведь тебя в прямом смысле тянет туда магнитом.

Медоносные пчёлы также содержат в своих тканях магнетит. Это было доказано в 1970 году зоологом Принстонского университета: магнетит находится в клетках брюшка пчелы, образуя поясок в каждом сегменте. Он концентрируется в скоплениях нервных клеток – ганглиях. Однако наиболее известные магниточувствительные создания – это птицы, а среди них – почтовые голуби. Даже лишённые привычных ориентиров и возможности ориентироваться по солнцу, голуби всё же найдут путь к дому и вернутся, если их чувство магнитного поля не повреждено. Хотя если прикрепить к их голове маленький магнит или отвезти от дома к месту выпуска в специальном, экранирующем магнитное поле Земли контейнере, птицы потеряют способность к ориентации, когда будут выпущены.

Магниточувствительный человек

Что касается гипотезы о том, способен ли ощущать магнитное поле Земли человек, то она была впервые озвучена ещё в 1980-х годах. Её не удалось подтвердить дальнейшими исследованиями.

– Да, в крови, печени, кишечнике человека есть железо. Но это железо никак не помогает нам с вами ориентироваться по магнитным линиям Земли. К сожалению, у человека магниторецепции нет, – констатировал эксперт. – Можно провести простой эксперимент: дать человеку в руки два железных кубика, один из которых будет намагничен, а другой нет. И, конечно же, никто из нас с вами не сможет определить, в какой руке находится магнит, а в какой – обычный кубик. Эритроциты из нашей крови не побегут к этому магнитику. Секрет в том, что железо, которое есть в нашем организме, оно, скажем так, не магнитное, у него другая структура.

Илья убеждён: чтобы мы могли чувствовать магнитные поля, у нас в крови должен быть не просто белок, покрытый ионами железа, а полноценный кристалл магнетита, или, другими словами, магнитный железняк.

– Вот тогда мы бы точно никогда не могли заблудиться в лесу, так как всем телом ощущали бы, где север, – смеётся спикер.

Развивая тему, учёный добавил, что сейчас он как раз занимается проектом, в рамках которого хочет взять гены бактерий и перенести их в клетки человека, создав таким образом клетки, способные чувствовать магнитное поле.

Оптогенетика против магнитогенетики

Также Илья стал одним из экспертов научно-популярного ток-шоу «Разберём на атомы: параллели». Формат мероприятия предполагает выступление трёх учёных из разных областей научного знания, которые рассматривают одну и ту же тему с различных сторон.

Биолог рассказал о том, как связаны две методики исследования работы нервных клеток – оптогенетика и магнитогенетика. В первом случае речь идёт о встраивании в мембрану клетки специального белка, который активируется светом. Такие белки (опсины) есть у большинства животных в сетчатке глаз, а также у некоторых растений, например, у зелёных водорослей.

– Оптогенетика позволяет исследователям включать и выключать популяции связанных нейронов с помощью импульсов лазерного света. Но при этом метод является инвазивным и требует введения оптических волокон, которые доставляют световые импульсы в мозг, и, кроме того, степень проникновения света в плотную ткань мозга весьма ограничена, – констатировал Илья.

Этот метод был весьма успешно опробован на мышах. Учёные разработали доброкачественный вирус, который при вживлении в мозг создаёт ионные каналы, реагирующие на свет, – своего рода переключатели, которые включают и выключают клетки. Направляя сфокусированные лучи света на мозговую ткань (обычно с помощью оптоволоконных нитей толщиной с человеческий волос), исследователи могут выборочно усиливать или ослаблять мощность вспышки и наблюдать, какой эффект это производит на мозг. В отличие от обычных генетических методов, в этом случае оптогенетические вспышки могут менять нейронную мощность в течение миллисекунды. Возможность же направлять свет на определённые участки мозга позволяет проверять гипотезы с высочайшей точностью.

В свою очередь, магнитогенетика использует для исследований активности клеток магнитное поле. Этот метод относительно новый, и в числе его несомненных плюсов – неинвазивность, а также возможность быстро и обратимо активировать нейроны.

– Магнитогенетика – молодая наука, которая появилась лет десять назад и предполагает новый подход. В отличие от оптогенетики, мы включаем и выключаем какие-то процессы в клетках не с помощью света, а с помощью магнитного поля. Более того, мы можем даже включать и выключать гены. Как это происходит? Мы добавляем в клетки какую-нибудь маленькую магнитную частицу, которая воздействует на специальные белки и, соответственно, включает и выключает различные процессы, – рассказал спикер.

К слову, благодаря своим уникальным свойствам магнетосомы могут применяться в широком спектре областей: биотехнологии, геологии, астробиологии и прочих. С их помощью возможно обнаружение раковых клеток на ранних стадиях развития, магнитная сепарация клеток, выделение ДНК и РНК непосредственно из биологических жидкостей, направленная доставка лекарственных средств, а также определение возраста отложений, геологическая реконструкция минувших эпох и многое другое.

В ходе научно-популярного ток-шоу выступила также кандидат филологических наук Ксения ВЫСОКОВИЧ, которая провела литературные параллели и рассказала о том, как иногда пересекаются темы художественных произведений и обязательно ли их авторы были знакомы при этом.

– Литературные параллели можно найти практически везде, даже в сказках, – уверена Ксения. – Например, сюжет русской сказки «Колобок» повторяется и в английском фольклоре, где от бабушки и дедушки убегает пончик или пудинг, и в американском, где лиса съедает свободолюбивого пряничного человечка.

Кандидат географических наук Тамара ВАТЛИНА «разобрала на атомы» параллели с точки зрения природной зональности. Она подчеркнула, что многие физико-географические явления распределяются на земной поверхности в виде вытянутых вдоль параллелей полос. Эта пространственная структура свойственна прежде всего климатическим, гидрологическим и гидрохимическим явлениям, а также почвенному и растительному покровам.

«Глаза» и «уши» клеток

Человек получает информацию об окружающей его действительности через органы чувств: мы видим и слышим, чувствуем вкус еды и окружающие запахи, ощущаем боль и лёгкое прикосновение. Так и клетки, составляющие наше тело, способны воспринимать окружающую среду.

– Каждая клетка нашего организма может ощущать твёрдость-плотность своего окружения, что особенно важно для клеток хряща или костей. Именно постоянные нагрузки вместе с твёрдым окружением позволяют им полноценно функционировать и формировать опору организма. Без нагрузок кости и хрящи теряют кальций, и их структура нарушается, – отметил спикер.

Для восприятия сигналов на поверхности клеток человека существуют многочисленные белки – рецепторы. Эти белки могут связывать различные молекулы (гормоны, аминокислоты, отдельные ионы), более того, иногда они даже могут поглощать свет. Среди всех рецепторов выделяют особую группу, включающую огромное разнообразие белков (у человека их более 800), которая получила название GPCR-белки.

– Все молекулы внутри клеток дрожат и вибрируют в потоке броуновского движения, – подчеркнул Илья. – Но когда на такие GPCR-белки действует сигнал, они перестают колебаться и, как маленькие молекулярные машины, переключаются в рабочий режим: связывают другие белки и активируют их.

Эксперт рассказал, что сигнал, который подействовал на клетку, не может постоянно активировать рецептор. Должна быть регуляция чувствительности к этим сигналам. Так, человек, который заходит из светлого помещения в тёмное, со временем начинает видеть предметы. И наоборот, попадая в светлое помещение, человек сначала жмурится и только спустя некоторое время начинает нормально воспринимать окружающий мир.

– Как нам выключить рецептор или увеличить уровень сигнала? Это можно сделать, например, через вывод на мембрану новых рецепторов. А как же выключить сигнал? В этом помогают специальные регуляторные белки, получившие название «аррестины». Они действительно сидят «в общей куче» рецепторного комплекса и при необходимости «арестовывают» сигнальный путь, – поделился Илья Зубарев.

Елена ВОРОНЦОВА