Maksa magneettikompassina: kyyhkysten navigaation salaisuus

Kyyhky nousee katoalta ja piirtää tasaisen kaaren kohti kaupungin siluettia, eivätkä pilvet, jotka peittävät auringon, häiritse sitä. Kuinka lintu ilman karttaa tai GPS:ää löytää tiensä kymmenien tai satojen kilometrien yli? Tutkijat saattavat vihdoin olla lähellä vastausta, joka kyseenalaistaa oletukset eläinten navigoinnista.

Postikyyhkyjä käytettiin ihmisten viestinviejinä vuosisatojen ajan. Ne esiintyvät egyptiläisessä taiteessa jo noin 1350 eaa., ja kunnes telegrammi saapui, ne olivat keskeisiä pitkämatkan sanansaattajiamme, toimittaen kaikkea liikesopimuksista taistelukenttien raportteihin. Niiden kyky palata karsinaan on legendaarinen, mutta sisäinen mekanismi, joka mahdollistaa näin tarkan suuntautumisen, on pysynyt arvoituksena.

Sveitsin armeijan sotilaat välittivät viestin postikyyhkyn avulla ensimmäisen maailmansodan aikana. 

Yllättävä elin nousee keskiöön

Bonnin yliopiston ja Eläinkäyttäytymisen Max Planck -instituutin tutkijat raportoivat todisteita siitä, että kyyhkyjen kotipaluu voi riippua maksassa piilevästä magneettisesti herkestä järjestelmästä. Järjestelmä perustuu rautapitoisiin immuunisoluihin, joita kutsutaan makrofageiksi. Tiimin mukaan nämä solut käyttäytyvät kuin mikroskooppiset kompassineulat.

"Se, mikä linnun navigaatiossa vaikuttaa 'vaistolta', saattaa itse asiassa perustua fyysiseen mekanismiin", sanoo Martin Wikelski, MPI-AB:n johtaja ja artikkelin eräs päätekijöistä. Immunologi Clivia Lisowski lisää, että maksa ja perna varastoivat rautaa, koska ne käsittelevät ja hajottavat punasoluja, mikä tekee niistä loogisia paikkoja etsiä magneettisia ominaisuuksia.

Kymmenten vuosien ajan magnetoreseptioon liittyvä tutkimus oli keskittynyt nokkaan, sisäkorvaan tai silmän erikoistuneisiin fotoreseptoreihin. Ajatus siitä, että maksassa olevat immuunisolut voisivat kuljettaa magneettista tietoa aivoihin, muuttaa olennaisesti tutkimuskenttää.

Mikroskooppinen kytkentä ja kvanttikäyttäytyminen

Elektronimikroskoopilla tiimi havaitsi maksassa makrofageja, jotka olivat lähellä hermosäikeitä. Nämä fyysiset yhteydet tarjoavat uskottavan reitin magneettisen tiedon kululle maksakudoksesta keskushermostoon. Vielä huomattavampaa on näiden solujen magneettinen käyttäytyminen. Makrofagit sisältävät rautahiukkasia, jotka osoittavat superparamagnetismia, kvanttista ominaisuutta, jossa pienet magneettiset alueet suuntautuvat ulkoisen kentän mukaan mutta eivät säily pysyvää magnetisaatiota kentän poistuessa.

Elektronimikroskopiakuvassa kyyhkyn maksakudoksesta näkyy maksamakrofagi (sininen) kosketuksissa hermosäikeen (keltainen) kanssa, mikä mahdollistaa "magneettisen" tiedon välittymisen kyyhkyn aivoihin.

Superparamagnetismi ei ole arkipäiväinen termi. Käytännössä se tarkoittaa, että nämä rautapitoiset rakenteet voivat reagoida Maan magneettikenttään kuten kompassineulat, ilman että ne muuttuvat pysyvästi magnetisoituneiksi tai vaatisivat suuria määriä ferromagneettista materiaalia. Tämä tekee niistä erityisen sopivia biologisiin järjestelmiin, jotka tarvitsevat herkkyyttä ja palautuvuutta.

Kompassin testaaminen taivaalla

Laboratoriotarkkailuilla on rajansa. Tutkijat suunnittelivat kenttätestin nähdäkseen, heikentäisikö maksamakrofagien häviäminen kotipalautumista. He vapauttivat 34 postikyyhkyä 19 kilometrin päästä kotikarsinastaan MPI-AB:ltä. Kahdeksantoista lintua sai klodronaatin annoksen päivää ennen vapautusta. Klodronaatti vähentää makrofagien määrää, katkaisten käytännössä ehdotetun magneettisen sensorin hermoyhteydet.

Hoitamattomat kyyhkyset palasivat noin 70 minuutissa. Klodronaatilla käsitellyt linnut eivät. Pitkittyneen pilvisen sään aikana yksikään käsitellyistä linnuista ei päässyt kotiin saman päivän aikana, ja niiden lentoreitit osoittivat satunnaista suuntautumista. Merkittävästi, kun taivas selkeni, käsitellyt linnut palauttivat normaalin kotipalautuskyvyn. Selkeänä päivänä klodronaatilla käsitellyt kyyhkyset navigoivat yhtä hyvin kuin hoitamattomat, mikä viittaa siihen, että maksapohjainen järjestelmä on erityisen tärkeä, kun aurinkoon perustuvat vihjeet eivät ole käytettävissä.

Koe on elegantti yksinkertaisuudessaan: poista oletettu sensori, peitä aurinko ja katso, romahtaako navigointi. Tiimin havaitsema malli tukee käsitystä, jonka mukaan kyyhkyset käyttävät useita suunnistusvihjeitä: visuaalisia maamerkkejä ja taivaallisia vihjeitä kun ne ovat saatavilla, sekä sisäistä magneettista lukua silloin kun muut vihjeet puuttuvat.

Laajemmat vaikutukset ja avoimet kysymykset

Jos immuunisolut voivat toimia magneettisensorina kyyhkyissä, voisivatko samanlaiset mekanismit esiintyä myös muilla lajeilla? Artikkeli viittaa lukuisiin eläimiin, jotka navigoivat ilman ilmeisiä visuaalisia karttoja: muuttolinnut öisin, hait jotka ylittävät ominaisuuksiltaan karuja valtameriä, lepakot ja tietyt maaperän eläimet pimeässä. Kaikki hyötyisivät kompaktista, vähäenergisestä ja kestävästä magnetoreseptiivisestä mekanismista.

Useita arvoituksia jää ratkaistaviksi. Miten makrofagien signaalit integroituvat muuhun aistitietoon linnun aivoissa? Mitkä kehitys- ja geneettiset ohjelmat tuottavat nämä rautapitoiset rakenteet? Ja kuinka yleinen tämä mekanismi on eri lintulajeilla tai selkärankaisilla laajemmin?

Asiantuntijan näkemys

"Artikkeli pakottaa meitä laajentamaan käsitystämme siitä, missä eläimen aistiminen voi tapahtua", sanoo tohtori Jessica Ramirez, neuroekologi Institute for Comparative Cognitionista. "Tavallisesti etsimme sensorisia rakenteita perinteisistä aistinelimistä. Magneettisen elementin löytäminen immuunijärjestelmästä viittaa siihen, että luonto käyttää kaikkia käytettävissään olevia kudoksia ratkaistakseen vaikeita ongelmia, kuten navigoinnin."

Johtopäätös

Tämä löytö ei sulje kirjaa magnetoreseptiosta. Se avaa uuden luvun, joka kytkee immunologian, neurobiologian ja kvanttifysiikan elävään organismeihin. Ajatus siitä, että maksamakrofagit, joiden sisällä on superparamagneettista rautaa, voivat välittää suunnallista tietoa aivoihin, muuttaa tutkijoiden lähestymistapaa eläinten navigointiin. Tulevissa tutkimuksissa pitää kartoittaa hermopiirit, tunnistaa molekyylimerkkejä jotka määrittävät magneettisolut, ja testata, esiintyvätkö samanlaiset järjestelmät muissa maalla, merellä ja ilmassa liikkuvissa navigoijissa. Toistaiseksi postikyyhky pitää salaisuutensa, mutta yksi niistä on siirtynyt kansanperinteestä laboratoriotutkimukseen.