Magnetorrecepción

Magnetorrecepción es un sentido que permite a un organismo detectar el campo magnético de la Tierra. Los animales con este sentido incluyen algunos artrópodos, moluscos y vertebrados (peces, anfibios, reptiles, aves y mamíferos). El sentido se utiliza principalmente para orientación y navegación, pero puede ayudar a algunos animales a formar mapas regionales. Los experimentos con aves migratorias proporcionan evidencia de que utilizan una proteína criptocromo en el ojo, basándose en el mecanismo cuántico de pares de radicales para percibir campos magnéticos. Este efecto es extremadamente sensible a campos magnéticos débiles y fácilmente perturbado por interferencias de radiofrecuencia, a diferencia de una brújula de hierro convencional.

Las aves tienen materiales que contienen hierro en la parte superior del pico. Existe cierta evidencia de que esto proporciona una sensación magnética, mediada por el nervio trigémino, pero se desconoce el mecanismo.

Los peces cartilaginosos, incluidos los tiburones y las rayas, pueden detectar pequeñas variaciones en el potencial eléctrico con sus órganos electrorreceptivos, las ampollas de Lorenzini. Estos parecen ser capaces de detectar campos magnéticos por inducción. Existe cierta evidencia de que estos peces utilizan campos magnéticos en la navegación.

Historia

Los biólogos se han preguntado desde hace mucho tiempo si los animales migratorios como las aves y las tortugas marinas tienen una brújula magnética incorporada que les permite navegar utilizando el campo magnético de la Tierra. Hasta finales del siglo XX, la evidencia de esto era esencialmente sólo conductual: muchos experimentos demostraron que los animales podían realmente obtener información del campo magnético alrededor de ellos, pero no dieron ninguna indicación del mecanismo. En 1972, Roswitha y Wolfgang Wiltschko demostraron que las aves migratorias respondieron a la dirección e inclinación del campo magnético. En 1977, M. M. Walker y sus colegas identificaron magnetoreceptores basados en hierro (magnetita) en los hocicos de la trucha arco iris. En 2003, G. Fleissner y colegas encontraron receptores de hierro en los picos superiores de palomas homicidas, ambos aparentemente conectados al nervio trigeminal del animal. La investigación tomó una dirección diferente en 2000, sin embargo, cuando Thorsten Ritz y colegas sugirieron que una proteína fotoreceptora en el ojo, criptocromo, era un magnetoreceptor, trabajando a escala molecular por enredamiento cuántico.

Mecanismos propuestos

En animales

En animales, el mecanismo de magnetorrecepción aún está bajo investigación. Actualmente se están discutiendo dos hipótesis principales: una propone una brújula cuántica basada en un mecanismo de pares radicales y la otra postula una brújula magnética más convencional basada en hierro con partículas de magnetita.

Criptocromo

Según el primer modelo, la magnetorrecepción es posible mediante el mecanismo de pares de radicales, que está bien establecido en la química del espín. El mecanismo requiere dos moléculas, cada una con electrones desapareados, a una distancia adecuada entre sí. Cuando estos pueden existir en estados con sus ejes de espín en la misma dirección o en direcciones opuestas, las moléculas oscilan rápidamente entre los dos estados. Esa oscilación es extremadamente sensible a los campos magnéticos. Debido a que el campo magnético de la Tierra es extremadamente débil, de 0,5 gauss, el mecanismo de pares radicales es actualmente la única forma creíble en que el campo magnético de la Tierra podría causar cambios químicos (a diferencia de las fuerzas mecánicas que serían detectado mediante cristales magnéticos que actúan como la aguja de una brújula).

En 1978, Schulten y sus colegas propusieron que éste era el mecanismo de la magnetorrecepción. En 2000, los científicos propusieron que el criptocromo (una flavoproteína presente en los bastones de los ojos de las aves) era la "molécula magnética" de la sustancia. detrás de este efecto. Es la única proteína que se sabe que forma pares de radicales fotoinducidos en animales. La función del criptocromo varía según la especie, pero su mecanismo es siempre el mismo: la exposición a la luz azul excita un electrón en un cromóforo, lo que provoca la formación de un par de radicales cuyos electrones están entrelazados cuánticamente, lo que permite la precisión necesaria para la magnetorrecepción.

Muchas líneas de evidencia apuntan al criptocromo y a los pares radicales como el mecanismo de magnetorrecepción en las aves:

• A pesar de 20 años de búsqueda, ninguna biomolécula aparte del criptocromo ha sido identificada capaz de apoyar pares radicales.
• En criptocromo, una molécula amarilla flavin adenine dinucleotide (FAD) puede absorber un fotono de luz azul, poniendo el criptocromo en un estado activado: un electron se transfiere de un aminoácido triptófano a la molécula FAD, formando un par radical.
• De los seis tipos de criptocromo en las aves, criptocromo-4a (Cry4a) se une FAD mucho más fuerte que el resto.
• Los niveles de Cri4a en aves migratorias, que dependen de la navegación para su supervivencia, son más altos durante los períodos de migración de primavera y otoño, cuando la navegación es más crítica.
• La proteína Cry4a de la túnica europea, una ave migratoria, es mucho más sensible a los campos magnéticos que similar pero no idéntico Cry4a de palomas y pollos, que no son migratorias.

Estos hallazgos en conjunto sugieren que el Cry4a de las aves migratorias ha sido seleccionado por su sensibilidad magnética.

Los experimentos de comportamiento con aves migratorias también respaldan esta teoría. Las aves migratorias enjauladas, como los petirrojos, muestran inquietud migratoria, conocida por los etólogos como Zugunruhe, en primavera y otoño: a menudo se orientan en la dirección en la que migrarían. En 2004, Thorsten Ritz demostró que un campo electromagnético de radiofrecuencia débil, elegido para tener la misma frecuencia que la oscilación singlete-triplete de los pares de radicales criptocromo, interfería efectivamente con la actividad de las aves. orientación. El campo no habría interferido con una brújula con base de hierro. Además, las aves son incapaces de detectar una inversión de 180 grados del campo magnético, algo que detectarían fácilmente con una brújula de hierro.

A partir de 2007, Henrik Mouritsen intentó replicar este experimento. En cambio, descubrió que los petirrojos no podían orientarse en las cabañas de madera que usaba. Ante la sospecha de una interferencia de radiofrecuencia extremadamente débil procedente de otros equipos eléctricos del campus, intentó proteger las cabañas con láminas de aluminio, que bloquean el ruido eléctrico pero no los campos magnéticos. Cuando puso a tierra las láminas, los petirrojos se orientaron correctamente; cuando se quitó la conexión a tierra, los petirrojos se orientaron al azar. Finalmente, cuando los petirrojos fueron probados en una cabaña alejada de equipos eléctricos, las aves se orientaron correctamente. Estos efectos implican una brújula de par radical, no de hierro.

En 2016, Wiltschko y sus colegas demostraron que el criptocromo se puede activar en la oscuridad, eliminando la objeción de que el mecanismo activado por la luz azul no funcionaría cuando las aves migran de noche. Se forma un par de radicales diferente mediante la reoxidación del FADH⁻ completamente reducido. Los experimentos con petirrojos europeos, utilizando luces parpadeantes y un campo magnético apagado cuando la luz estaba encendida, demostraron que los pájaros detectaban el campo sin luz. Las aves no se vieron afectadas por la anestesia local en la parte superior del pico, lo que demuestra que en estas condiciones de prueba la orientación no provenía de los receptores basados en hierro en el pico. En su opinión, el criptocromo y sus pares radicales proporcionan el único modelo que puede explicar la brújula magnética aviar. Se ha propuesto un esquema con tres radicales en lugar de dos como más resistente a la relajación del espín y explica mejor el comportamiento observado.

A base de hierro

El segundo modelo propuesto para la magnetorrecepción se basa en grupos compuestos de hierro, un mineral natural con fuerte magnetismo, utilizado por las bacterias magnetotácticas. Se han observado grupos de hierro en el pico superior de palomas mensajeras y otros taxones. Los sistemas basados en hierro podrían constituir una base magnetorreceptiva para muchas especies, incluidas las tortugas. Tanto la ubicación exacta como la ultraestructura de las aves' se desconocen los magnetorreceptores que contienen hierro; se cree que están en la parte superior del pico y que están conectados al cerebro por el nervio trigémino. Este sistema se suma al sistema criptocromo de la retina de las aves. También podrían existir sistemas basados en hierro de función desconocida en otros vertebrados.

Inducción electromagnética

Otro posible mecanismo de magnetorrecepción en animales es la inducción electromagnética en peces cartilaginosos, concretamente tiburones, rayas y quimeras. Estos peces tienen órganos electrorreceptivos, las ampollas de Lorenzini, que pueden detectar pequeñas variaciones del potencial eléctrico. Los órganos están llenos de moco y constan de canales que conectan los poros de la piel de la boca y la nariz con pequeños sacos dentro de la carne del animal. Se utilizan para detectar los débiles campos eléctricos de presas y depredadores. Se ha predicho que estos órganos detectan campos magnéticos mediante la ley de inducción de Faraday: cuando un conductor se mueve a través de un campo magnético, se genera un potencial eléctrico. En este caso, el conductor es el animal que se mueve a través de un campo magnético, y el potencial inducido (V_ind) depende de la tasa de flujo magnético (Φ) variable en el tiempo (t) a través del conductor de acuerdo con

Vind=− − dφ φ dt{displaystyle V_{ind}=-{frac {dphi }{dt}}}

Las ampollas de Lorenzini detectan fluctuaciones muy pequeñas en la diferencia de potencial entre el poro y la base del saco electrorreceptor. Un aumento del potencial da como resultado una disminución de la tasa de actividad nerviosa. Esto es análogo al comportamiento de un conductor por el que circula corriente. Se ha demostrado que los tiburones areneros, Carcharinus plumbeus, pueden detectar campos magnéticos; Los experimentos proporcionaron evidencia no definitiva de que los animales tenían un magnetorreceptor, en lugar de depender de la inducción y los electrorreceptores. La inducción electromagnética no se ha estudiado en animales no acuáticos.

La raya amarilla, Urobatis jamaicensis, es capaz de distinguir entre la intensidad y el ángulo de inclinación de un campo magnético en el laboratorio. Esto sugiere que los peces cartilaginosos pueden utilizar el campo magnético de la Tierra para navegar.

Alineación pasiva en bacterias

Las bacterias magnetotácticas de múltiples taxones contienen suficiente material magnético en forma de magnetosomas, partículas de magnetita de tamaño nanométrico, que el campo magnético de la Tierra las alinea pasivamente, tal como lo hace con la aguja de una brújula. Por lo tanto, las bacterias en realidad no detectan el campo magnético.

Un mecanismo posible pero inexplorado de magnetorrecepción en animales es a través de la endosimbiosis con bacterias magnetotácticas, cuyo ADN está muy extendido en los animales. Esto implicaría que estas bacterias vivan dentro de un animal y que su alineación magnética se utilice como parte de un sistema magnetorreceptivo.

Preguntas sin respuesta

Sigue siendo probable que dos o más mecanismos complementarios desempeñen un papel en la detección de campos magnéticos en animales. Por supuesto, esta teoría potencial del mecanismo dual plantea la cuestión de hasta qué punto cada método es responsable del estímulo y cómo producen una señal en respuesta al débil campo magnético de la Tierra.

Además, es posible que los sentidos magnéticos sean diferentes para diferentes especies. Es posible que algunas especies solo puedan detectar el norte y el sur, mientras que otras solo puedan diferenciar entre el ecuador y los polos. Aunque la capacidad de detectar la dirección es importante en la navegación migratoria, muchos animales tienen la capacidad de detectar pequeñas fluctuaciones en el campo magnético de la Tierra para mapear su posición con una precisión de unos pocos kilómetros.

Rango taxonómico

La Magnetorecepción es ampliamente distribuida taxonómicamente. Está presente en muchos de los animales hasta ahora investigados. Estos incluyen artrópodos, moluscos, y entre vertebrados en peces, anfibios, reptiles, aves y mamíferos. Su situación en otros grupos sigue siendo desconocida.

La capacidad de detectar y responder a campos magnéticos puede existir en plantas, posiblemente como en animales, mediada por criptocromo. Experimentos realizados por diferentes científicos han identificado múltiples efectos, incluidos cambios en la tasa de crecimiento, la germinación de las semillas, la estructura mitocondrial y las respuestas a la gravedad (geotropismo). Los resultados en ocasiones han sido controvertidos y no se ha identificado definitivamente ningún mecanismo. La capacidad puede estar ampliamente distribuida, pero se desconoce su rango taxonómico en las plantas.

En moluscos

La babosa de mar gigante Tochuina gigantea (anteriormente T. tetraquetra), un molusco, orienta su cuerpo entre el norte y el este antes de la luna llena. Un experimento de 1991 ofreció un giro a la derecha hacia el sur geomagnético y un giro a la izquierda hacia el este geomagnético (un laberinto en forma de Y). El 80% de Tochuina giró hacia el este magnético. Cuando se invirtió el campo, los animales no mostraron preferencia por ninguno de los turnos. El sistema nervioso de Tochuina' está compuesto por neuronas individualmente identificables, cuatro de las cuales son estimuladas. por cambios en el campo magnético aplicado, y dos que son inhibidos por dichos cambios. Las huellas de especies similares Tritonia exsulans se vuelven más variables en dirección cuando están cerca de fuertes imanes de tierras raras colocados en su hábitat natural, lo que sugiere que el animal usa su sentido magnético continuamente para ayudarlo a viajar en línea recta. línea.

En insectos

La mosca de la fruta Drosophila melanogaster puede ser capaz de orientarse hacia campos magnéticos. En una prueba de elección, se cargaron moscas en un aparato con dos brazos rodeados por bobinas eléctricas. Se pasó corriente a través de cada una de las bobinas, pero sólo una estaba configurada para producir un campo magnético de 5 Gauss (unas diez veces más fuerte que el campo magnético de la Tierra) a la vez. Las moscas fueron entrenadas para asociar el campo magnético con una recompensa de sacarosa. Las moscas con un criptocromo alterado, como por ejemplo con una mutación antisentido, no eran sensibles a los campos magnéticos.

La magnetorecepción se ha estudiado en detalle en insectos como abejas, hormigas y termitas. Las hormigas y las abejas navegan utilizando su sentido magnético tanto localmente (cerca de sus nidos) como cuando migran. En particular, la abeja brasileña sin aguijón Schwarziana quadripunctata es capaz de detectar campos magnéticos utilizando miles de sensillas con forma de pelos en sus antenas.

En vertebrados

En pescado

Los estudios de magnetorrecepción en peces óseos se han realizado principalmente con salmón. Tanto el salmón rojo (Oncorhynchus nerka) como el salmón Chinook (Oncorhynchus tschawytscha) tienen sentido de la brújula. Esto se demostró en experimentos realizados en la década de 1980 cambiando el eje de un campo magnético alrededor de un tanque circular de peces jóvenes; se reorientaron en línea con el campo.

En anfibias

Algunos de los primeros estudios sobre la magnetorrecepción en anfibios se realizaron con salamandras de las cavernas (Eurycea lucifuga). Los investigadores alojaron grupos de salamandras de las cavernas en corredores alineados con el norte-sur magnético o el este-oeste magnético. En las pruebas, el campo magnético se giró experimentalmente 90° y las salamandras se colocaron en estructuras en forma de cruz (un corredor a lo largo del nuevo eje norte-sur, otro a lo largo del nuevo eje este-oeste). Las salamandras respondieron a la rotación del campo.

Los tritones de manchas rojas (Notophthalmus viridescens) responden a los aumentos drásticos de la temperatura del agua dirigiéndose a la tierra. El comportamiento se altera si se modifica experimentalmente el campo magnético, lo que demuestra que los tritones utilizan el campo para orientarse.

Tanto los sapos europeos (Bufo bufo) como los sapos corredores (Epidalea calamita) dependen de la visión y el olfato cuando migran a sus lugares de reproducción, pero los campos magnéticos también pueden desempeñar un papel importante. role. Cuando se los desplaza aleatoriamente a 150 metros (490 pies) de sus lugares de reproducción, estos sapos pueden navegar para regresar, pero esta capacidad puede verse alterada al equiparlos con pequeños imanes.

En reptiles

La mayoría de los estudios sobre magnetorrecepción en reptiles involucran tortugas. El apoyo inicial a la magnetorrecepción en las tortugas se proporcionó en un estudio de 1991 sobre crías de tortugas bobas que demostró que las tortugas bobas pueden utilizar el campo magnético como brújula para determinar la dirección. Estudios posteriores han demostrado que las tortugas bobas y verdes también pueden utilizar el campo magnético de la Tierra como mapa, porque los diferentes parámetros del campo magnético de la Tierra varían según la ubicación geográfica. El mapa en las tortugas marinas fue el primero en ser descrito, aunque ahora se han reportado habilidades similares en langostas, peces y aves. La magnetorecepción de las tortugas terrestres se demostró en un experimento realizado en 2010 con Terrapene carolina, una tortuga de caja. Después de enseñar a un grupo de estas tortugas de caja a nadar hacia el extremo este u oeste de un tanque experimental, un fuerte imán interrumpió las rutas aprendidas.

La orientación hacia el mar, como se ve en las crías de tortugas, puede depender en parte de la magnetorrecepción. En las tortugas boba y laúd, la reproducción se lleva a cabo en las playas y, después de nacer, las crías se arrastran rápidamente hacia el mar. Aunque las diferencias en la densidad de la luz parecen impulsar este comportamiento, la alineación magnética parece desempeñar un papel. Por ejemplo, las preferencias direccionales naturales que tienen estas crías (que las llevan de las playas al mar) se invierten tras la inversión experimental de los polos magnéticos.

En pájaros

Las palomas mensajeras utilizan campos magnéticos como parte de su complejo sistema de navegación. William Keeton demostró que las palomas mensajeras desplazadas en el tiempo (aclimatadas en el laboratorio a una zona horaria diferente) no pueden orientarse correctamente en un día claro y soleado; esto se atribuye a que las palomas en horario diferido no pueden compensar con precisión el movimiento del sol durante el día. Por el contrario, las palomas liberadas en días nublados navegan correctamente, lo que sugiere que las palomas pueden utilizar campos magnéticos para orientarse; Esta capacidad se puede alterar con imanes adheridos a las patas de las aves. espaldas. Las palomas pueden detectar anomalías magnéticas tan débiles como 1,86 gauss.

Durante mucho tiempo, el sistema trigémino fue la ubicación sugerida para un magnetorreceptor basado en magnetita en la paloma. Esto se basó en dos hallazgos: en primer lugar, se detectaron células que contenían magnetita en lugares específicos de la parte superior del pico. Sin embargo, las células resultaron ser macrófagos del sistema inmunológico, no neuronas capaces de detectar campos magnéticos. En segundo lugar, la detección del campo magnético de las palomas se ve afectada por la sección del nervio trigémino y por la aplicación de lidocaína, un anestésico, a la mucosa olfatoria. Sin embargo, el tratamiento con lidocaína podría provocar efectos inespecíficos y no representar una interferencia directa con potenciales magnetorreceptores. Como resultado, todavía se debate la implicación del sistema trigémino. En la búsqueda de receptores de magnetita, se encontró en el oído interno de las palomas un gran orgánulo que contiene hierro (el cuticulosoma) de función desconocida. Las áreas del cerebro de la paloma que responden con mayor actividad a los campos magnéticos son los núcleos vestibulares posteriores, el tálamo dorsal, el hipocampo y el hiperpalio visual.

Las gallinas domésticas tienen depósitos minerales de hierro en las dendritas sensoriales de la parte superior del pico y son capaces de magnetorrecepción. El recorte del pico provoca la pérdida del sentido magnético.

En mamíferos

Algunos mamíferos son capaces de magnetorrecepción. Cuando los ratones de madera son retirados de su área de origen y privados de señales visuales y olfativas, se orientan hacia sus hogares hasta que se aplica un campo magnético invertido a su jaula. Cuando a los mismos ratones se les permite acceder a señales visuales, pueden orientarse hacia casa a pesar de la presencia de campos magnéticos invertidos. Esto indica que los ratones de madera utilizan campos magnéticos para orientarse cuando no hay otras señales disponibles. El sentido magnético de los ratones de madera probablemente se base en un mecanismo de pares de radicales.

La rata topo de Zambia, un mamífero subterráneo, utiliza campos magnéticos para ayudar a orientar sus nidos. A diferencia de los ratones de madera, las ratas topo de Zambia no dependen de la magnetorrecepción basada en pares de radicales, quizás debido a su estilo de vida subterráneo. La exposición experimental a campos magnéticos conduce a un aumento de la actividad neuronal dentro del colículo superior, medida por la expresión genética inmediata. El nivel de actividad de las neuronas dentro de dos niveles del colículo superior, la subcapa externa de la capa gris intermedia y la capa gris profunda, se elevó de manera no específica cuando se expusieron a varios campos magnéticos. Sin embargo, dentro de la subcapa interna de la capa gris intermedia (InGi) había dos o tres grupos de células que responden de una manera más específica. Cuanto más tiempo estuvieron expuestas las ratas topo a un campo magnético, mayor fue la expresión genética temprana inmediata dentro del InGi.

Los murciélagos pueden utilizar campos magnéticos para orientarse. Utilizan la ecolocalización para navegar en distancias cortas. Cuando se sacan grandes murciélagos marrones (Eptesicus fuscus) de sus refugios y se los expone a campos magnéticos girados 90 grados desde el norte magnético, se desorientan; No está claro si utilizan el sentido magnético como mapa, brújula o calibrador de brújula. Otra especie de murciélago, el murciélago de orejas de ratón (Myotis myotis), parece utilizar el campo magnético de la Tierra como brújula, pero para calibrarla con la dirección de la puesta del sol.

Los zorros rojos (Vulpes vulpes) pueden utilizar la magnetorrecepción cuando depredan a pequeños roedores como ratones y topillos. Atacan a este tipo de presas mediante un salto de altura específico, prefiriendo la dirección de la brújula al noreste. Los ataques exitosos se concentran estrechamente hacia el norte.

Se desconoce si los humanos pueden sentir campos magnéticos. El hueso etmoides de la nariz contiene materiales magnéticos. El criptocromo 2 magnetosensible (cry2) está presente en la retina humana. Las ondas cerebrales alfa humanas se ven afectadas por los campos magnéticos, pero no se sabe si el comportamiento se ve afectado.