Магнитное поле и человек

Джозеф Киршвинк (Joseph Kirschvink) из Калифорнийского технологического института известен как автор гипотезы «Земли-снежка» (см. статью Сергея Ястребова Кислородная революция и Земля-снежок), согласно которой поверхность нашей планеты несколько раз покрывалась льдом, что приводило к экологическим катастрофам. Менее известна другая заслуга Киршвинка: он открыл магнитофоссилии (см. Magnetofossil) — ископаемые остатки жизнедеятельности бактерий, чувствительных к магнитному полю Земли. Такие микроорганизмы (это не систематическая группа, а скорее «кружок по интересам») существуют и сейчас. Они определяют направление линий магнитного поля, то есть способны к магниторецепции, благодаря кристаллам магнетита (Fe₃O₄) внутри их клеток. Самым старым ныне известным магнитофоссилиям почти два миллиарда лет.

Рис.1. Магнитное поле Земли. Силовые линии идут от южного магнитного полюса к северному. Пунктирная линия — магнитная ось Земли, сплошная — ось вращения планеты. Показано довольно значительное отклонение положения геомагнитных полюсов от географических. Некоторые животные и птицы способны ориентироваться по магнитному полю (например, птицы используют его для навигации во время миграций). Однако из-за постоянного дрейфа магнитных полюсов, который периодически даже приводит к их инверсии (последний раз это было, предположительно, 780 тысяч лет назад), такая навигация может давать сбои — если магнитный полюс оказался далеко от географического. У положения магнитных полюсов есть и краткосрочные колебания, см. задачу Блуждающий магнитный полюс.

Помимо магниторецепции бактерии и другие организмы, известные примерно с того же времени и находящиеся приблизительно на том же уровне организации, обладают химическим чувством, термо-, фото- и механорецепцией. Аналогичные чувства — зрение, обоняние, ощущение температуры, прикосновений и т. д. — есть и у людей. Логично (по крайней мере, для Киршвинка) предположить, что столь древняя способность, как магнитное чувство, тоже сохранилась у Homo sapiens. Первые эксперименты по поиску магниторецепции у людей Киршвинк начал еще несколько лет назад (см. об этом: E. Hand, 2016. Maverick scientist thinks he has discovered a magnetic sixth sense in humans), и вот теперь вышла полноценная научная статья в рецензируемом журнале eNeuro (C. X. Wang et al., 2019. Transduction of the Geomagnetic Field as Evidenced from Alpha-band Activity in the Human Brain).

Для проверки предположения о магнитном чувстве у людей в одном из подземных помещений лаборатории Киршвинка собрали систему из катушек Мерритта (см. Merritt coil), ориентированных в одном из трех направлений (верх — низ, север — юг, восток — запад) и генерирующих магнитное поле с индукцией 35 микротесла (рис. 2). Это примерно соответствует величине индукции магнитного поля Земли в месте проведения экспериментов — городе Пасадена, штат Калифорния. От внешних электромагнитных полей установка была экранирована, так как располагалась в клетке Фарадея. Все предметы внутри клетки, кроме системы катушек и установки для регистрации электроэнцефалограммы (ЭЭГ), не могли намагничиваться: пол сделали из фанеры, а в деревянном кресле, на котором сидел испытуемый, содержащие железо болты заменили на латунные. «Комната» также была звукоизолирована, а испытуемые большую часть времени должны были сидеть, закрыв глаза.

Рис. 2. Слева: схема помещения для экспериментов. Справа: фотография этого помещения снаружи; видно кресло, на котором сидели испытуемые. Изображения из обсуждаемой статьи в eNeuro и с сайта maglab.caltech.edu

Горизонтальную и вертикальную составляющие магнитного поля и направление его линий можно было менять. По предположению Киршвинка, детекция каких-то из этих изменений должна была отражаться на электрической активности головного мозга испытуемых, но совершенно не обязана достигать сознания. Простой способ оценить упомянутую электрическую активность — снять ЭЭГ у испытуемого, когда магнитное поле вокруг него неизменно и когда что-то происходит с различными составляющими его индукции.

Если поле постоянное, а не переменное, оно не должно оказать влияния на показания ЭЭГ-электродов. Этим фактом и воспользовался Киршвинк. Его испытуемые — 34 добровольца в возрасте от 18 до 68 лет (европейского, азиатского и африканского происхождения, а также коренные американцы) — по 7 минут сидели с закрытыми глазами в экспериментальном помещении. Никакого конкретного задания у них в этот момент не было. В течение семи минут направление вращения горизонтальной компоненты магнитного поля менялось около ста раз: его вектор время от времени разворачивали по часовой стрелке или против нее. Нечто похожее (в смысле воздействия магнитного поля на мозг — если оно есть) происходит при повороте головы влево или вправо, но в данном случае испытуемые не двигались. Направление вертикального вращения не меняли, так как серия предварительных экспериментов показала: электрическая активность мозга испытуемых из Северного полушария от этого никак не меняется. Поле все время было ориентировано вниз под углом 60–75° к горизонтали. Такое направление соответствовало направлению линий геомагнитного поля в регионах, где родились и выросли испытуемые. Были и моменты, когда искусственное магнитное поле отключали — в качестве контроля. Семиминутные испытания повторяли неоднократно в разные дни.

Во время спокойного бодрствования с закрытыми глазами, когда сознание не занято ничем конкретным, у многих людей на электроэнцефалограмме проявляется альфа-ритм — колебания частотой 8–13 герц и амплитудой 5–100 микровольт. Когда человек сосредотачивает внимание на какой-то поступающей информации, альфа-ритм сменяется другими, при которых электрическая активность клеток мозга менее синхронизирована, — например, бета-ритмом. Соответственно, если Homo sapiensобладают магниторецепцией, амплитуда альфа-колебаний должна падать в момент смены направления вращения магнитного поля.

Рис. 3. Изменение амплитуды (в микровольтах) альфа-ритма ЭЭГ отдельного испытуемого. Показаны все 64 канала — по одному на каждый регистрирующий электрод. CCW — вращение вектора индукции магнитного поля против часовой стрелки (counterclockwise), CW — вращение по часовой стрелке (clockwise), FIXED — направление вращения не поменяли по сравнению с предыдущим временным отрезком. Моменты смены направления вращения (или перехода к новому временному отрезку в случае FIXED) отмечены розовыми вертикальными линиями. Каждый раз сравнивается амплитуда альфа-колебаний на старте интервала со сменой направления вращения магнитного поля и обратно по сравнению с амплитудой альфа-колебаний на старте интервала, в котором направление вращения не меняется. Изображение с сайта maglab.caltech.edu

Такая реакция действительно наблюдалась (на рис. 3 это можно увидеть после первой и третьей розовых линий, также это видно на видеоролике, прилагающемся к исследованию), но лишь у части испытуемых и только тогда, когда поле начинало вращаться против часовой стрелки. Но когда исследователи спрашивали их, чувствовали ли они какие-то изменения, и даже когда в отдельной серии опытов просили ради этого открыть глаза и специально следить за необычными ощущениями, люди давали отрицательный ответ. Иными словами, если магниторецепция у людей и есть, то с сознанием она не связана, а способности к ней у разных людей проявляются в разной степени.

Разумеется, магнитное чувство у людей искали и до того (см., например, A. Sastre et al., 2002. Human EEG responses to controlled alterations of the Earth’s magnetic field, а также новость Возможно, люди способны ощущать магнитное поле, «Элементы», 11.07.2011), но не находили. Киршвинк и соавторы считают, что дело в силе магнитных полей, использованных в опытах его предшественников: она в два и более раз превышала силу магнитного поля Земли. У многих ориентирующихся по геомагнитному полю животных магнитная чувствительность просто отключается, если величина индукции превышает некий допустимый предел, и это позволяет таким животным не заблудиться, а переключиться на ориентацию по другим системам координат. К тому же 15–20 лет назад данные электроэнцефалограмм обрабатывали другими методами, не способными выявить некоторые важные для исследования магниторецепции отличия. Киршвинк попробовал применить эти старые методы к своим новым данным, и свидетельства снижения амплитуды ЭЭГ при перемене направления вращения поля исчезли.

Железный компас?

Если результаты Киршвинка смогут воспроизвести другие коллективы, наличие магниторецепции у человека можно будет считать установленным. Но никуда не денется вопрос, что именно обеспечивает восприятие магнитных полей человеком. До самого недавнего времени считали, что магнитной чувствительностью обладают белки криптохромы, так как экспрессия человеческих версий этих молекул в теле дрозофил (а свои криптохромы у них при этом не работали) приводила к тому, что эти мушки различали сильно и слабо намагниченные части лабиринта (см. Возможно, люди способны ощущать магнитное поле, «Элементы», 11.07.2011). Однако результаты исследования Киршвинка свидетельствуют о том, что криптохромы тут ни при чем. Эти белки не чувствительны к полярности магнитного поля, а в проведенных экспериментах она оказывала влияние на электрическую активность головного мозга испытуемых.

Помимо криптохромов чувствительность к магнитному полю может обеспечивать магнетит (Fe₃O₄), его мы упомянули в самом начале. Это ферромагнетик, то есть вещество, в котором магнитные моменты атомов упорядочены и в отсутствие заметного магнитного поля. Их направление зависит от полярности такого поля (если оно имеется). Киршвинк и соавторы предполагают, что именно магнетит обеспечивал изменение ЭЭГ испытуемых при наличии магнитного поля. Однако на данный момент рецепторных структур в теле человека, несущих магнетит, не нашли. Известно, что Fe₃O₄ в заметных количествах есть в мозжечке и в стволе мозга (см. S. A. Gilder et al., 2018. Distribution of magnetic remanence carriers in the human brain). Но это не рецепторы, и находятся они глубоко в толще тканей — в то время как магниточувствительные структуры логично было бы вынести ближе к поверхности, дабы повысить число доступных для их восприятия сигналов.

Впрочем, даже у организмов, которым давно и прочно приписали наличие магнитного чувства, не известно точное расположение магниторецепторов и их строение. Взять, например, голубей — птиц, в чьей способности находить дорогу по «магнитным координатам» никто не сомневается (см. новость Тройничный нерв играет определяющую роль в магнитной навигации птиц, «Элементы», 13.08.2018 и популярный синопсис У птичьего компаса обе стрелки синие к статье Д. А. Кишкинёв, Н. С. Чернецов, 2014. Магниторецепторные системы у птиц: обзор современных исследований). Долгое время считалось, что они делают это благодаря нескольким системам рецепторов и скоплений магниточувствительных молекул — видимо, криптохромам в сетчатке, клеткам с кристаллами магнетита в надклювье и еще каким-то структурам с кристаллами магнетита в лагене — конечном отрезке улитки внутреннего уха. Несколько исследований группы Фляйсснера и Вилчко (см., например, G. Fleissner et al., 2003. Ultrastructural analysis of a putative magnetoreceptor in the beak of homing pigeons) указывали на то, что в надклювье есть несколько групп богатых магнетитом клеток, каждая из которых связана со своей веточкой тройничного нерва. Наличие магниторецепторов в лагене выявили сравнительно недавно, в 2011 году, в лаборатории Дэвида Дикмана в Вашингтонском университете (L. Wu, J. D. Dickman, 2011. Magnetoreception in an Avian Brain in Part Mediated by Inner Ear Lagena).

Истинность обоих предположений подвергли сомнению сотрудники Дэвида Киза (David Keays) из Венского биоцентра. С помощью методов иммуногистохимии, молекулярной биологии и различных вариантов электронной микроскопии они пытались воспроизвести результаты Фляйсснера и Дикмана — и не смогли. В 2012 году в лаборатории Киза показали, что клетки с магнетитом в надклювье голубей не образуют никаких групп. Что еще интереснее, было установлено, что это вовсе не нервные клетки-рецепторы, а клетки иммунной системы — макрофаги (C. D. Treiber et al, 2012. Clusters of iron-rich cells in the upper beak of pigeons are macrophages not magnetosensitive neurons)! Вероятно, эти макрофаги активно поглощают и перерабатывают эритроциты, богатые железосодержащим белком гемоглобином, из-за чего в них самих накапливается железо. В принципе, обнаруженные группой Киза клетки могли бы фагоцитировать и магниторецепторы и поэтому содержать много железа, но эту версию пока никто не подтвердил.

Удар по магнетиту лагены был нанесен позже, в начале 2019 года (E. P. Malkemper et al., 2019. No evidence for a magnetite-based magnetoreceptor in the lagena of pigeons). На сей раз ученые из группы Киза изучали серии срезов внутреннего уха голубей с помощью рентгеновской флуоресцентной микроскопии (см. X-ray fluorescence) и трансмиссионной (просвечивающей) электронной микроскопии. Первая нужна была для выявления железа в лагене, вторая — в том числе для определения, где это железо находится: внутри клеток или вне их. Скоплений кристаллов магнетита не выявили ни в рецепторах лагены, ни в межклеточном пространстве, зато показали загрязнение образцов хромом и железом (рис. 4). Почти полное отсутствие железа в лагене голубей констатировали и за десятилетие до этого (то есть за пару лет до «открытия» магниточувствительности лагены), тогда применили масс-спектрометрию (Y. Zhao et al., 2009. Analysis of magnetic elements in otoliths of the macula lagena in homing pigeons with inductively coupled plasma mass spectrometry). Словом, существование всех возможных магниточувствительных структур у таких известных «навигаторов», как голуби, до сих пор под вопросом.

Кто видел магниторецепторы?

Возникает вопрос: хотя бы у какого-нибудь животного уже удалось достоверно обнаружить магниторецепторы? Увы, пока нет. Большие надежды в этом плане подавал популярный лабораторный объект, круглый червь Caenorhabditis elegans. У этого животного в зрелом возрасте всегда 302 нейрона, и найти в таком количестве клеток магниторецепторы значительно проще, чем в сотнях миллионов птичьих нейронов. Кроме того, C. elegans — единственный организм, для которого известен полный коннектом — все связи, образуемые всеми нервными клетками между собой. То есть в целом уже понятно, чем занимается каждый из этих трехсот с небольшим нейронов.

Андрес Видаль-Гадеа (Andrés Vidal-Gadea) в 2015 году показал, что две клетки C. elegans активируются, если на животное действует специально сгенерированное магнитное поле. Кроме того, червь роет вертикальные ходы в субстрате под определенным корректирующим углом к линиям поля, и этот угол зависит от того, как идут линии магнитного поля Земли на родине животного (см. A. Vidal-Gadea et al., 2015. Magnetosensitive neurons mediate geomagnetic orientation inCaenorhabditis elegans). Нейроны, которые Видаль-Гадеа заподозрил в магниторецепции, носят название AFD (Amphid neurons with finger-like (AfD) ciliated endings): один в левой части головы (AFDL), другой — в правой (AFDR). Ранее было известно, что они чувствительны к концентрации углекислого газа и температуре окружающей среды. Ученые проверили, как обращаются с магнитным полем C. elegans с мутациями в различных генах, активных в определенных чувствительных нейронах. Свое движение вниз в субстрате в поисках пищи с линиями магнитного поля не соотносили только животные с нарушениями экспрессии генов, активных лишь в AFD и более ни в каких других нейронах. Кроме того, в AFDL и AFDR повышалось содержание кальция при стимуляции магнитным полем, а в остальных нервных клетках — нет. Работу по обнаружению магниторецепторов у червя обнародовали еще на конференции Society for Neuroscience в 2013 году. Научную статью по ней хотели опубликовать в Nature, но по каким-то причинам не смогли. «Хватило» только на eLIFE, хороший научный журнал, но все-таки не настолько престижный.

Дэвид Киз и его сотрудники, в нашей истории уже не раз выступавшие в роли «разрушителей легенд», провел множество серий экспериментов в попытке воспроизвести результаты Видаля-Гадеа. Весной 2018 года были опубликованы итоги этих попыток (L. Landler et al., 2018. Comment on «Magnetosensitive neurons mediate geomagnetic orientation in Caenorhabditis elegans«). Поскольку AFD — терморецепторы и регистрируют колебания температуры в десятую долю градуса, австрийцы первым делом предположили, что эти нейроны ощущают не магнитные линии, а тепло, исходящее от генерирующих их катушек. Исследователи попробовали создавать магнитное поле точно такими же катушками, как у Видаля-Гадеа, но оборачивать эти катушки так, чтобы минимизировать распространение тепла от них. Выяснилось, что при дополнительной изоляции черви не ориентируются на линии магнитного поля и не приближаются к магнитам — и это несмотря на то, что поле в экспериментах было в 8000 раз мощнее, чем магнитное поле Земли. То есть такое сильное воздействие было бы сложно не заметить тем, кто реагирует на гораздо более скромные магнитные стимулы (при условии, что его система магниторецепции не отключается от таких зашкаливающих величин). Как-то учитывали эти линии в своих перемещениях только те животные, которых растили на среде с кристаллами магнетита — чего в природе, конечно, не бывает, а вот в результате лабораторного загрязнения такая обстановка может возникнуть.

На этом проблемы и оговорки не закончились. Киз подметил, что в исследовании группы Видаля-Гадеа для проверки направления рытья субстрата 50 червей запускали в один и тот же сосуд. Даже если животные не сталкивались друг с другом, они могли оставлять какие-то химические метки, влияющие на поведение следующих «испытуемых» — и заставляющие их рыть примерно в ту же сторону, что их предшественники. (Сам Киз использовал индивидуальный сосуд для каждого из полусотни своих C. elegans.) Наконец, нашлась несостыковка в поправках на линии магнитного поля Земли. По всей видимости, C. elegans не отличают верх от низа. В таком случае от угла наклона линий магнитного поля Земли к поверхности почвы зависит величина угла корректировки (рис. 5). Чем острее угол вхождения линий в землю (то есть чем ближе к экватору), тем больше должен быть угол корректировки. Поскольку разницы между верхом и низом для C. elegans нет, рядом с экватором в попытке углубиться в субстрат в половине случаев он будет, напротив, выползать на поверхность. А в высоких широтах величина угла корректировки может заставить животное двигаться как вниз, так и по горизонтали (опять же — куда не надо). Избежать этого можно, если ориентироваться на гравитационное поле Земли, то есть уметь различать верх и низ. Но в таком случае и завязанная на магниторецепции сложная система упреждения не нужна.

Интерес без «конфликта интересов»

Парадокс: магниторецепция у многих видов есть, и у человека, судя по последним данным, тоже может иметься. Исследований этого чувства немало. Однако чем больше их становится, тем будто бы сильнее всё запутывается: одни коллективы опровергают результаты других, открытия «закрываются»…

Эта «борьба» кажется утомительной — и одновременно очень интересной. Приятно, когда нет давления догм и когда каждый факт подвергается проверке. Изучение магниторецепции не относится к областям науки, влияющим на повседневную жизнь человека, и это прекрасно. Исследователи магнитного чувства могут (пока что, по крайней мере) не думать, как их открытия будут восприняты обществом, и познавать мир без оглядки на вольных и невольных недоброжелателей. Такой свободы хочется пожелать и всем остальным ученым.

Источник