Uwagi ogólne o detekcji pola elektromagnetycznego
W środowisku naturalnym Ziemi istnieje szereg przykładów recepcji pól elektrostatycznego, magnetostatycznego oraz elektromagnetycznego. Elektromagnetoczułe gatunki używają mechanizmów recepcji w celu wykrycia drapieżników lub znalezienia ofiar, komunikacji oraz lokalnej nawigacji.
U ssaków, włączając ludzi, występuje szereg czujników nastawionych na detekcję rozmaitych czynników środowiskowych. Na przykład na siatkówce oka umieszczone są pręciki i stożki (rods and cones), nastawione na wychwytywanie sygnałów świetlnych. Jest faktem, że żaden elektroreceptor czy magnetoreceptor nie występują samodzielnie w obiekcie biologicznym.
Elektrorecepcja
Istnieje wiele ryb i zwierząt wodnych z dużymi możliwościami elektrorecepcyjnymi. Elektrorecepcja jest w tym przypadku stosunkowo prosta – transmisja sygnału elektrycznego do receptorów odbywa się w środowisku o dużej przewodności elektrycznej na drodze kontaktowej poprzez tzw. ampułki Lorenziniego [1].
Mniej oczywista jest transmisja sygnałów elektrycznych do obiektów biologicznych w środowisku naziemnym i powietrznym. Potrzebne są wówczas elementy przewodzące, pozwalające na doprowadzenie sygnału elektrycznego do organizmu. Mechanizmy elektrorecepcyjne są w takich przypadkach ustalane na poziomie hipotez i dlatego są wciąż badane. Trzeba też dodać, że mechanizmy te są zasadniczo różne od tych występujących w organizmach wodnych. Jednym z przykładów takich hipotez są mechanizmy, opisujące elektrorecepcję u trzmiela, pszczoły miodnej i pszczoły ze społeczności ula.
W przypadku trzmiela jego detekcja kwiatów odbywa się na drodze elektrycznej poprzez wpływ pola elektrycznego na odchylanie jego włosowych czujników mechanicznych. Kwiaty generują słabe pole elektrostatyczne, które mają wpływ na czujniki włosowe trzmiela. Trzepocząc skrzydłami (200 uderzeń na minutę), trzmiel może wyczuć istnienie pola elektrostatycznego, ale też zidentyfikować odpowiedni kwiat generujący to pole. Sensory u pszczół miodnych mają postać anten odbierających sygnał od kwiatów. Antena drga w polu elektrostatycznym, co powoduje, podobnie jak u trzmiela, stymulację nerwu pszczoły. W podobny sposób następuje reakcja dla pszczół robotnic.
Potencjał elektrorecepcji w technologii
Ze względu na dość prosty mechanizm recepcji pola elektrycznego w organizmach zwierząt wodnych, to uwaga badaczy skupia się właśnie na nich, a przede wszystkim na rybach. Elektryczne zmysły ryb i innych zwierząt wodnych mogą być czymś więcej niż tylko ciekawostkami przyrodniczymi. Na przykład elektroreceptory rekinów mogą służyć jako modele nowych urządzeń, wykrywających pole elektryczne w emitowane w wodzie.
Możliwe są również aplikacje militarne – wojsko jest zainteresowane wykrywaczami pola elektrycznego, które mogłyby odebrać szczegółowe informacje o przejściu statków obcych i wykryć uszkodzenia (na przykład korozję) na własnych jednostkach.
Podobnie zjawisko elektrorecepcji u ryb może być pomocne w tworzeniu aparatury diagnostycznej i terapeutycznej opartej na stymulacji elektrycznej. Takie urządzenia już są stosowane w praktyce klinicznej.
Przebadanie i zrozumienie zmysłu elektrycznego ryb może pomóc w opracowaniu nowych terapii w dziedzinie kardiologii, np. poprzez udoskonalenie techniki ablacji czy polepszenie działania stymulatorów serca.
Magnetorecepcja
Najprostszym, i nawiązującym do elektrorecepcji, przykładem magnetorecepcji jest detekcja pola magnetostatycznego poprzez mechanizmy właściwe dla pola elektrycznego. Mechanizm taki ujawnia się poprzez ruch obiektu przewodzącego w polu magnetostatycznym, np. ziemskim. Wtedy zgodnie z prawem Faradaya indukuje się pole elektryczne, które poprzez elektroreceptory dostaje się do organizmu. Krótka analiza liczbowa wykazuje jakie pole magnetostatyczne może być identyfikowane. Jeśli rekin płynie z prędkością 1m/s w polu geomagnetycznym 25 µT, to w jego ciele wygeneruje się pole elektryczne o wartości 0,25 μV/cm. Zaindukowane pole elektryczne przechodzi przez wspomniane wyżej ampułki Lorenziniego. Ponieważ rekin może odbierać pole elektrostatyczne od wartości 0,01 μV/cm, to jest w stanie bez przeszkód wyczuć pole geomagnetyczne. Stąd ciekawy wniosek, że pływające zwierzęta mogą identyfikować pole magnetyczne Ziemi, a zatem mogą wykorzystywać je np. do nawigacji.
Z kolei czułość magnetyczną u gołębi odkrył Charles Wacott z uniwersytetu stanowego w Stonybrook w USA. W przypadku ptaków wędrownych tę zdolność zbadał Wolfgang Wiltscko z uniwersytetu we Frankfurcie nad Menem, zaś inni badacze niemieccy zajęli się tym zagadnieniem w odniesieniu do tańca pszczół.
Jedną z hipotez dotyczących magnetorecepcji jest podana przez Josepha Kirshvinka z laboratorium Jamesa Goulda w uniwersytecie w Princeton hipoteza wskazująca jako czynnik magnetorecepcyjny cząstki magnetytowe Fe3O4. Są to cząsteczki ferrimagnetyczne, posiadające pojedyncze domeny magnetyczne z trwałym momentem magnetycznym, osiągającym w masie cząsteczek wartość 480×103 A/m.
Prowadzone przez amerykańskiego uczonego badania doprowadziły w ostatnich latach do wzmocnienia prawdziwości wspomnianej wyżej hipotezy – uważa się, że za większość oddziaływań bioelektromagnetycznych (nawet dla pola elektromagnetycznego) odpowiadają mikrocząsteczki magnetytowe, przyczepione bądź wchłonięte przez organizmy żywe.
To nie jedyne wyjaśnienie
Hipoteza Kirschvinka, jakkolwiek bardzo ciekawa i w sposób stosunkowo prosty wyjaśniająca mechanizm magnetorecepcji, została poddana ostatnio krytyce. Kilka lat temu powstała nowa hipoteza uzasadniająca magnetorecepcję, a mianowicie wykorzystanie fotoreceptorów światła niebieskiego, czyli kryptochromów. Uważa się, że większość organizmów ziemskich posiada zdolność wyczuwania pola magnetycznego. Taka zdolność pozwala poruszać się w otaczającej przestrzeni. Zwierzęta posiadają tzw. magnetyczny kompas świetlny, pozwalający na orientowanie się w przestrzeni w widmie światła od ultrafioletu do światła zielonego. Przy większych długościach w widmie światła orientacja zostaje utracona.
Taki kompas wykorzystuje fotopigmenty, które tworzą pary rodników, a na te wpływ ma pole magnetostatyczne, w tym pole geomagnetyczne. Takie magnetoczułe fotopigmenty tworzą tablice, takie jak ptasia siatkówka, wskazujące wzrost czułości na światło w polu magnetostatycznym. Relacje pomiędzy fotopigmentami a czułością na światło są jeszcze odległe od zamkniętego i całościowego wyjaśnienia, tym niemniej hipoteza kryptochromowa może wyprzeć hipotezę magnetytową Kirschvinka.
Zrozumienie zmysłu magnetycznego żywych istot może prowadzić do ciekawych zastosowań. Już teraz naukowcy mogą wykorzystywać bakterie magnetyczne do mapowania biegunów materiałów magnetycznych, w tym meteorytów. Na biegunie północnym gromadzą się bakterie magnetyczne poszukujące północy, a bakterie poszukujące południa na biegunie południowym. Aby więc znaleźć biegun meteorytu, geolodzy zwilżają część skały roztworem z bakteriami magnetotaktycznymi i obserwują, gdzie gromadzą się bakterie.
W przyszłości magnetyt bakteryjny może być wykorzystywany w medycznych testach diagnostycznych do magnetycznego znakowania białek biorących udział w procesie chorobowym.
Badanie zmysłu magnetycznego zwierząt może też pomóc ratować zagrożone gatunki. Identyfikacja sygnałów sensorycznych używanych przez żółwie morskie może prowadzić do opracowania sposobów nakłaniania zwierząt do relokacji na plaże wyznaczone jako obszary chronione. I odwrotnie, magnetorecepcja może pomóc w walce ze szkodnikami upraw, takimi jak mrówki ogniste. Mrówki korzystają z pola geomagnetycznego, aby wrócić do domu po wyprawach w poszukiwaniu pożywienia, a naukowcy mają nadzieję przeprowadzenia ich na toksyczną przynętę za pomocą wygenerowanego pola magnetycznego.
Podsumowanie
Przedstawione wyżej opisy magneto- i elektrorecepcji pokazują w sposób jednoznaczny związek między środowiskiem biologicznym a polem elektrycznym, polem magnetycznym i polem elektromagnetycznym. Obiekty biologiczne są wyposażone w sensory mogące identyfikować naturalną elektryczność i magnetyzm, jak też wytwarzane sztucznie pole elektromagnetyczne. Prowadzone od wielu lat badania nie dają jednoznacznej odpowiedzi na pytanie o mechanizm tej identyfikacji – wciąż tworzone są nowe hipotezy. Nie zmienia to faktu, że omawiane zjawisko recepcji środowisko biologiczne znakomicie wykorzystuje dla polepszenia quality of life.
Przypisy:
[1] Ampułki Lorenziniego, elektroreceptory ampułkowate – występujący u bezszczękowców (Agnatha), ryb chrzęstnoszkieletowych (Chondrichthyes) i wielopłetwców (Polypteriformes) rodzaj elektroreceptorów służących do elektrolokacji (wg Wikipedii).
Wykorzystane źródła:
J L Kirschvink, J L Gould, Biogenic magnetite as a basis for magnetic field detection in animals, Biosystems, 1981;13(3):181-201.
Krawczyk A., Sikora R., Bioelectromagnetic phenomena in micro- and nanodrives, Prace Instytutu Elektrotechniki, 1999, No. 201, ss. 31-38
Wickelgren I., The Strange Senses of Other Species. IEEE Spectrum, March 1996,
Ueno S., Shigemitsu T., Bioelectromagnetism: History, Foundations and Applications, CRC Press 2021