Entdeckung eines Durchbruchs im Mechanismus der magnetischen Wahrnehmung bei Vögeln

Europäischer Rotkehlchen

Zugvögel wie das Rotkehlchen können das Erdmagnetfeld wahrnehmen. Jetzt haben die Forscher erstmals gezeigt, dass das Molekül aus ihrem optischen Instrument empfindlich auf ein Magnetfeld reagiert. Bildnachweis: Corinna Langbrick und Ilya Solov-Yov

Der Mensch nimmt die Welt um sich herum mit fünf Sinnen wahr: Sehen, Hören, Schmecken, Riechen und Fühlen. Auch viele andere Tiere können das Erdmagnetfeld wahrnehmen. Eine Kollaboration von Biologen, Chemikern und Physikern der Universitäten Oldenburg (Deutschland) und Oxford (UK) sammelt seit einiger Zeit Hinweise darauf, dass die magnetische Empfindung von Zugvögeln wie dem Rotkehlchen von einer besonderen Lichtempfindlichkeit abhängt. Eiweiß im Auge. In der aktuellen Ausgabe des Magazins Natur, zeigt dieses Team, dass das in der Netzhaut von Vögeln vorkommende Protein Cryptochrom 4 empfindlich auf Magnetfelder reagiert und der lang ersehnte magnetische Sensor sein könnte.

Einen entscheidenden Schritt zu diesem Erfolg hat die Erstautorin Jingjing Shu, Doktorandin der Henrik Moritzen Forschungsgruppe in Oldenburg, gemacht. Nachdem ich den genetischen Code für potenziell magnetisch sensitives Cryptochrom 4 in nachtaktiven Rotkehlchen extrahiert habe, ist es mir erstmals gelungen, dieses photoaktive Molekül mit Bakterienzellkulturen in Massenproduktion herzustellen. Dann nutzten die Gruppen von Christian Temel und Stuart Mackenzie in Oxford eine breite Palette neuer Magnetresonanz- und optischer Spektroskopietechniken, um das Protein zu untersuchen und seine scheinbare Empfindlichkeit gegenüber Magnetfeldern zu demonstrieren.

Das Team entschlüsselte auch den Mechanismus, durch den diese Sensibilität entsteht – ein weiterer wichtiger Fortschritt. „Eine wichtige Rolle spielen dabei die Elektronen, die sich nach der Aktivierung von blauem Licht im Molekül bewegen können“, erklärt Moritzen. Proteine ​​wie Cryptochrom sind aus Aminosäureketten aufgebaut: Robin Cryptochrom 4 enthält 527 davon. Peter Hoare und der Physiker Ilya Solov-Yof von der Universität Oxford führten quantenmechanische Berechnungen durch, die die Idee stützen, dass vier der 527 – bekannt als Tryptophan – für die magnetischen Eigenschaften des Moleküls essentiell sind. Nach ihren Berechnungen springen Elektronen von Tryptophan zum nächsten Tryptophan, um sogenannte magnetisch empfindliche Radikalpaare zu erzeugen. Um dies experimentell zu demonstrieren, stellte Oldenburgs Team leicht modifizierte Versionen von Cryptochrome Robin her, bei denen jedes Tryptophan wiederum durch eine andere Aminosäure ersetzt wurde, um die Bewegung von Elektronen zu blockieren.

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Mit diesen modifizierten Proteinen konnten die Arbeitsgruppen von Oxford Chemistry experimentell nachweisen, dass sich Elektronen wie in den Rechnungen erwartet innerhalb des Cryptochroms bewegen – und dass die erzeugten Radikalpaare wesentlich sind, um die beobachteten Magnetfeldeffekte zu erklären.

Das Oldenburger Team drückte auch Chiffre 4 Hühner und Tauben aus. Bei Untersuchungen in Oxford zeigten die Proteine ​​dieser Spezies, die nicht wandern, eine ähnliche Photochemie wie die des wandernden Rotkehlchens, scheinen aber deutlich weniger magnetisch empfindlich zu sein.

„Wir halten diese Ergebnisse für sehr wichtig, weil sie zum ersten Mal zeigen, dass ein Molekül des Sehsystems eines Zugvogels empfindlich auf Magnetfelder reagiert“, sagt Morrison. Aber er fügt hinzu, dass dies kein schlüssiger Beweis dafür ist, dass Cryptochrome 4 der magnetische Sensor ist, nach dem das Team sucht. Bei allen Experimenten untersuchten die Forscher isolierte Proteine ​​im Labor. Auch die verwendeten Magnetfelder waren stärker als das Erdmagnetfeld. „Dass dies in den Augen der Vögel passiert, muss also noch nachgewiesen werden“, betont Moritzen. Solche Studien sind technisch noch nicht machbar.

Die Autoren glauben jedoch, dass die betreffenden Proteine ​​in ihrer natürlichen Umgebung deutlich empfindlicher sein könnten. In Netzhautzellen sind die Proteine ​​wahrscheinlich fixiert und ausgerichtet, was ihre Empfindlichkeit gegenüber der Magnetfeldrichtung erhöht. Darüber hinaus bindet es wahrscheinlich auch an andere Proteine, die sensorische Signale verstärken können. Aktuell sucht das Team nach noch unbekannten Interaktionspartnern.

„Wenn wir nachweisen können, dass Cryptochrom 4 der magnetische Sensor ist, haben wir einen grundlegenden Quantenmechanismus demonstriert, der Tiere millionenfach schwächer auf Umweltreize empfindlich macht als bisher angenommen“, sagt Hoare.

Referenz: „Cryptochrome 4 Magnetic Sensitivity from a Migratory Migratory Bird“ Von Jingjing Xu, Lauren E. Jarrocha, Tilo Zolic, Marcin Konwalczyk, Kevin B Hinbest, Sabine Reichert, Matthew J. Golesworthy, Jessica Schmidt, Victoire Degen, Daniel J. C. Sood, Marco Passito, Jate Law, Jessica R Walton, Jessica Fleming, Eugene Wei, Tommy L. Beecher, Gabriel Moyes, Mike Hermann, Hang Yen, Hygeia Wu, Rabih Bartulke, Stephanie J. Casihagen, Simon Hurst, Glenn Duttag, Patrick Morton, Angela S. Jerkins, Yugarani, Chilia, Joseph S.; Takahashi, Carl Wilhelm Koch, Stefan Weber, Ilia A. Solov-Yov, Kan Shi, Stuart R. Mackenzie, Christian R. Temel, Henrik Moritzyn und PJ Hoar, 23. Juni 2021, hier erhältlich. Natur.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03618-9

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Die Zusammenarbeit zwischen Oldenburg und Oxford wird durch ein sechsjähriges Synergiestipendium des European Research Council (ERC) mit dem Titel Quantum Birds finanziert. Die Zusammenarbeit ist auch ein wesentlicher Bestandteil des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Sonderforschungsbereichs „Magnetic Reception and Navigation in Vertebrate“ (SFB 1372) und Ilya Solov-Yof ist Professor in Lichtenberg, gefördert von der VolkswagenStiftung.

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