Каждый год в конце весны и начале лета самки морских черепах при свете
Луны выползают из океана, чтобы отложить яйца в песок, часто возвращаясь на тот же пляж, на котором они родились много лет назад. Иногда, когда черепахи выбирают место для гнезда, исследователи, такие как
Джулианна Мартин, терпеливо наблюдают за ними из тени.
Для своей диссертации Мартин, аспирантка Университета Центральной Флориды, анализирует слёзы морских черепах. Поэтому в течение нескольких летних ночей 2023 и 2024 годов она наблюдала за пляжами и ждала, когда черепахи начнут откладывать яйца. По её словам, в этот момент рептилии впадают в своеобразный «транс», что позволяет учёным собирать образцы, в том числе и слёзы.
Мартин говорит, что для того, чтобы собрать образцы, она подползает к черепахам на песке и протирает им глаза поролоновым тампоном, впитывающим выделяемые ими слёзы. Морские черепахи регулярно проливают слёзы, чтобы вывести из организма излишки соли. Затем Мартин забирает эти слёзы в свою лабораторию для анализа.
Фото: vox.com
Эта странная работа служит определённой цели. Мартин исследует слёзы морских черепах, чтобы выяснить, не содержат ли они особый вид бактерий. По её словам, такое открытие может помочь раскрыть одну из самых больших и трепетных тайн биологии: как животные ориентируются с помощью невидимого
магнитного поля Земли.
«Святой Грааль» сенсорной биологии
После того как черепашата вылупляются, они выкапывают себе путь из песка и ползут в океан, где отправляются в эпическое путешествие, которое может унести их за тысячи километров в открытое море. Например, головастые черепахи - логгерхеды, вылупившиеся во Флориде, переплывают Атлантический океан и достигают островов у побережья Португалии, а затем, став взрослыми, возвращаются на пляжи Флориды для гнездования.
Примечательно, что черепахи обычно возвращаются в один и тот же регион Флориды или даже на один и тот же пляж. «Эти молодые черепахи могут самостоятельно проложить себе путь в 15 тысяч километров, несмотря на то, что никогда раньше не были в океане и путешествуют самостоятельно», - говорит Кеннет Ломанн, биолог из Университета Северной Каролины в Чапел-Хилл, изучающий навигацию морских черепах.
Исследователи, подобные Ломанну, выяснили, что морские черепахи, как и многие другие виды, похоже, ориентируются с помощью магнитного поля Земли. Это тонкая магнитная сила - порождённая расплавленным металлическим ядром планеты - которая окружает Землю, не похожая на силу вокруг магнита.
Интенсивность и направление поля меняются по всей поверхности Земли, что делает его полезным для навигации. Кроме того, магнитное поле присутствует даже тогда, когда другие пространственные ориентиры, например свет, отсутствуют. Однако остаётся загадкой, как животные чувствуют эти магнитные силы.
Десятилетия исследований не позволили обнаружить механизм так называемой магниторецепции или какой-либо специализированный орган, способный ощущать магнитную силу.
Как пишет наставник Мартин Роберт Фитак, «это всё равно что знать, что животное может реагировать на что-то визуальное, но не найти ни одного глаза».
«Это последнее чувство, о котором мы фактически ничего не знаем», - говорит о магниторецепции сенсорный биолог Эрик Варрант. «Решение этой проблемы, я бы сказал, является величайшим святым Граалем в сенсорной биологии». Учёные предложили несколько теорий того, как это может работать.
Фото: vox.com
Преобладающая теория коренится в квантовой механике, и она чрезвычайно сложна. Согласно этой теории, когда определённые светочувствительные молекулы, известные как криптохромы, поглощают свет, они создают так называемые радикальные пары - две отдельные молекулы, каждая из которых имеет один неспаренный электрон. Эти два неспаренных электрона квантово запутаны, что означает, что их спиновые состояния взаимозависимы: они направлены либо в одну сторону, либо в противоположные, и они перемещаются между ними.
Согласно этой теории, магнитное поле Земли влияет на спиновые состояния этих радикальных пар, а это, в свою очередь, влияет на результаты химических реакций в организме животных. Эти химические реакции, которые животные теоретически могут интерпретировать, как, например, запахи или зрительные образы, кодируют информацию о магнитном поле Земли.
Согласно другой теории, в теле животных есть кусочки магнитного материала, например, минерала магнетита. Согласно этой теории, на эти магнитные кусочки влияет магнитное поле Земли - как на компас - и животные могут ощущать это влияние, чтобы понять, куда они идут.
Исследование Мартин и Фитака изучает эту теорию, но с важным поворотом. Они предполагают, что морские черепахи и другие животные могут полагаться на магнетит, чтобы чувствовать магнитное поле Земли, но не могут сами производить магнетит.
Вместо этого исследователи предполагают, что морские черепахи могут иметь
симбиотические отношения с бактериями, вырабатывающими магнетит, - буквально живыми компасами, - которые чувствуют магнитное поле и каким-то образом передают информацию обратно черепахе.
Магнитотактические бактерии
Магнитотактические бактерии - это очень круто. По словам Каролин Монтейль, микробиологического эколога из французского исследовательского института CEA, эти микроскопические организмы имеют, по сути, встроенные иглы компаса.
Фото: vox.com
Иглы состоят из цепочек магнитных частиц, вырабатываемых микробами, которые можно увидеть под микроскопом. Примечательно, что эти иголки выравнивают бактерии по линиям магнитного поля Земли, как это делает настоящая игла компаса. Бактерии передвигаются в соответствии с направлением магнитного поля планеты.
По словам Фитака, доцента Калифорнийского университета, магнитная чувствительность полезна для бактерий. Магнитотактическим бактериям для выживания необходим определённый уровень кислорода, который, как правило, меняется с глубиной. Например, в ручье, где глубже отложения, кислорода может быть меньше.
На большей части земного шара направление магнитного поля хотя бы в некоторой степени перпендикулярно поверхности Земли - то есть, вверх и вниз - что позволяет бактериям перемещаться по вертикали в поисках оптимальной среды обитания, как будто они находятся на фиксированном пути.
По крайней мере, в одном случае магнитные бактерии объединяются с другими организмами, чтобы помочь им найти свой путь. Исследование, опубликованное в 2019 году, показало, что микроскопические организмы в Средиземном море, называемые протистами, способны ощущать магнитные силы, поскольку их тела покрыты магнитными бактериями.
Когда авторы помещали северный полюс магнита рядом с каплей воды, наполненной протистами, те плыли к нему. Когда же они переворачивали магнит, протисты уплывали.
Различные магнитные микробы притягиваются либо к северному, либо к южному полюсу, что часто зависит от места их обитания на Земле. По словам Монтейл, ведущего автора исследования, пока неясно, как именно магнитные бактерии направляют протистов.
Теория, которую исследуют Фитак и Мартин, заключается в том, что морские черепахи, как и протисты, тоже могут иметь в своём теле магнитотактические бактерии - эти живые компасы - и каким-то образом уметь считывать их. Некоторые микробы в микробиоме помогают в пищеварении. Другие, возможно, дают указания.
По словам Мартин, одна из идей заключается в том, что бактерии могут скапливаться вблизи нервов черепах, которые передают информацию об их положении в пространстве. По её словам, некоторые из этих нервов находятся рядом со слезными протоками - именно поэтому она ползала по пляжу, чтобы собрать черепашьи слёзы.
Цель состоит в том, чтобы выяснить, есть ли в этих слёзах магнитотактические бактерии. Это было бы одним из признаков того, что эти животные могут использовать бактерии для навигации. «Мы не совсем понимаем, как магнитотактические бактерии могут способствовать магнитному чувству, но это кажется хорошим началом», - говорит Мартин.
Хотя её исследование ещё продолжается, Мартин пока не нашла доказательств наличия магнитотактических бактерий в слезах 30 или около того черепах, которых она проанализировала на данный момент.
По её словам, это разочаровывает, но не исключает возможности того, что эти бактерии существуют где-то в теле черепахи и помогают ей ориентироваться. «Существует множество других идей о том, как магнитотактические бактерии могут предоставлять организму информацию о магнитном поле Земли», - говорит она. «Есть множество других мест и других таксонов, которые могли бы лучше подойти для изучения этой теории».
Фото: vox.com
Другие учёные, изучающие навигацию животных, настроены скептически. «Маловероятно, что симбиоз с магнитотактическими бактериями - это то, что обеспечивает навигацию морских черепах», - говорит Монтейл. «Отчасти проблема заключается в том, что неизвестен механизм, с помощью которого бактерии могли бы общаться с черепахой. Также неясно, что магнитотактические бактерии получат от этих отношений, если они действительно симбиотические - могут ли морские черепахи обеспечить условия, необходимые бактериям для выживания? Может быть. А может, и нет».
Более того, по словам Монтейл, магнитотактические бактерии широко распространены в окружающей среде, поэтому даже если Мартин найдёт их в слезах морской черепахи, это мало что даст для доказательства теории. Если магнитные бактерии присутствуют, это ещё не значит, что они помогают животному ориентироваться. Но, опять же, другие теории тоже пока не доказаны - и некоторые из них гораздо более странные.
«Я не думаю, что это невозможно», - говорит Монтейл о морских черепахах и других организмах, использующих магнитные бактерии для навигации. «Нет ничего невозможного. Жизнь удивительна и находит способы делать то, что мы не могли себе представить столетиями раньше. Мы не можем знать, пока не выясним».