Magnetická orientace živočichů: Různé typy zvířecích kompasů

O tom, že zvířata reagují na magnetické pole Země, existuje nepřeberné množství důkazů. Vnitřní kompas pomáhá najít cestu tažným ptákům. Mořské želvy díky němu nezabloudí v nedozírných prostorách oceánu a spolehlivě najdou pláž, kde se vylíhly a kde samy nakladou vejce. Lososům ukazuje magnetické pole správný směr pro tah k tření na trdlištích a dokonce i bakterie mají své vnitřní kompasy.

Předchozí část: Výpravy za zvířecím kompasem: Živé střelky na ciferníku Země

Není divu, že tak široké spektrum organismů disponuje kompasy založenými na několika různých systémech. Některé typy zvířecích kompasů jsou našim představám o kompasu s magnetickou střelkou na hony vzdálené.

Cesta na žraločí rande

Tělo živočicha může fungovat jako vodič, v němž se při průchodu magnetickým polem generuje elektrický proud. Ten jsou někteří živočichové schopni vnímat. Tak zřejmě funguje kompas žraloků, kterým napomáhá, že se pohybují ve slané vodě, jež je dobrým vodičem. Žraloci vnímají i velmi slabé změny elektrického pole ve svém okolí díky tzv. Lorenziniho žlázkám (označovaným i jako Lorenziniho ampule), jejichž vyústění je patrné na čenichu žraloků jako tmavé „pihy“. 

Vnitřní kompas dovoluje žralokům podnikat dlouhé migrace. Například pacifičtí žraloci lidožraví (Carcharodon carcharias) putují od pobřeží Kalifornie k Havaji a zase zpátky, přičemž si uprostřed Tichého oceánu dávají na jednom určitém místě „sraz“. V této „žraločí kavárně“ se zřejmě odehrávají námluvy, protože samci se tu před samicemi předvádějí opakovanými ponory do velkých hloubek. Žralok si nemůže dovolit tuhle „seznamku“ minout, a proto musí mít velmi spolehlivý ukazatel směru.

Tlak mikroskopických kompasů

Mnoho pozemských organismů od bakterií až po obratlovce spoléhá na miniaturní kompasové střelky v podobě drobných částic oxidu železa známého pro své magnetické vlastnosti jako magnetovec nebo částic sirníku železa označovaného jako greigit. Tímto typem kompasu jsou vybaveny například včely, mořské želvy, lososi nebo ptáci. 

V pravém slova smyslu napodobují tyto krystaly střelku kompasu, pokud jsou dostatečně velké a měří v průměru kolem 50 miliontin milimetru. Takové krystaly se natáčejí „po proudu“ magnetického pole Země a tlačí přitom na okolní tkáně. Nervy zvířete tlak registrují a překládají si jej do údajů o poloze těla vzhledem k magnetickému poli. 

Některá zvířata jsou vybavena ještě mnohem menšími magnetickými krystaly, které nejsou trvale zmagnetizovány a nemohou tedy plnit roli kompasové střelky. To ale není orientaci v magnetickém poli Země na překážku. Kompas pak pracuje na principu tzv. superparamagnetismu.

Samotné mikroskopické krystaly se v magnetickém poli nijak nenatáčejí a zůstávají nehybně na svém místě. V každém krystalku ale magnetické pole budí síly, které přitahují nebo naopak odpuzují okolní krystalky. Takové shlukování či oddalování krystalků vyvolává v okolních tkáních pnutí, které zvíře opět zaznamená a čerpá z něj potřebné informace. 

Předpovězený kvantový kompas

Už v roce 1978 předpověděl fyzik Klaus Schulten existenci zcela zvláštního kompasu fungujícího na principech kvantové fyziky. Předpokládal, že magnetické pole může působit na některé molekuly a ovlivnit tak jejich biochemické reakce. Neměl ale představu, jaké molekuly by se do zvířecích „kvantových kompasů“ hodily. 

Ty se začaly rýsovat až o dvě desetiletí později, když vědci začali pronikat do tajemství vidění. Zjistili, že při něm hrají významnou roli bílkovinné molekuly kryptochromů, které se vyskytují ve světločivných buňkách oka. Po ozáření má molekula kryptochromu dva volné elektrony a přesně to „kvantový kompas“ potřebuje. Když se Schulten o tomto objevu dozvěděl, bylo mu jasné, že konečně našel „svou“ molekulu vhodnou pro orientaci živočichů.

Pohled upřený na magnetické pole

Dvojice volných elektronů na kryptochromu ozářeném modrým světlem vytváří tzv. radikálový pár. Kvantová fyzika charakterizuje elektrony kromě jiných parametrů také jejich spinem, který může nabývat dvou hodnot. Na jedné molekule kryptochromu tak může mít dvojice elektronů buď shodné, nebo opačné spiny. „Nastavení“ spinů ovlivňuje vnímání světla. 

V reakci na magnetické pole mohou elektrony své spiny měnit. Je to podobné, jako když budeme strkat do stolu, na kterém právě krouží káča. Rotace káči se naruší. Měnící se magnetické pole „rozhodí“ do té doby souhlasné spiny páru elektronů nebo naopak uvede nesouhlasné spiny do souladu. To ovlivní průběh biochemické reakce, kterou kryptochrom přispívá k vidění. Někdy se reakce urychlí, jindy naopak zpomalí. Zvířata tak zřejmě mohou magnetické pole kolem sebe vidět. 

Nepřímý důkaz zmatených červenek

Kryptochromy byly usvědčeny z role magnetického kompasu u hmyzu. K tomu zjištění významně přispěl i tým vedený Davidem Doleželem z Entomologického ústavu Akademie věd v Českých Budějovicích. O tom, že kompas založený na funkci kryptochromů využívají i obratlovci, napovídala nečekaná komplikace, které museli čelit němečtí vědci při zkoumání orientace tažných zpěvných ptáků. 

Červenky obecné (Erithacus rubecula) vědí, kam by měly na podzim vyrazit na tah do jižních zimovišť, i když je vědci umístí do uzavřených prostor, kde ptáci nemají k dispozici běžné orientační ukazatele, jako je pohled do krajiny, poloha Slunce nebo hvězd na noční obloze. Nabízí se jediné vysvětlení – červenky se řídí vnitřním kompasem. Ten ale přestal fungovat, když vědci přestěhovali ptáky ze samoty do rušného velkoměsta. Červenky najednou jako kdyby nevěděly kudy kam.

Pátrání po příčinách tohoto výpadku skončilo velkým překvapením. Kompas vyřadil z činnosti obyčejný elektromagnetický šum v podobě vysílání běžných rozhlasových stanic. Zlepšení nastalo až poté, co vědci odstínili elektromagnetické rušení uzemněnou hliníkovou fólií a snížili tak intenzitu šumu na setinu původních hodnot.

Zvířecí kompasy využívající jako střelky celé tělo nebo mikroskopické magnetitové částice, jsou vůči takovému rušení odolné. Naopak kvantový kompas by k němu měl být velmi citlivý. Vyřešením záhadného výpadku vnitřního kompasu červenek tedy vědci dospěli k nepřímému důkazu existence kvantového kompasu u ptáků.

Zmatení kvantového kompasu myšic

Mají „kvantový kompas“ i savci? Tým vedený Hynkem Burdou našel „kompasové“ kryptochromy v oční sítnici psů i některých primátů. Základní výbavu pro orientaci založenou na principech kvantové fyziky tedy příroda savcům zjevně dopřála. Jsou ale s to ji zúročit? Z výzkumu Hynka Burdy, Vlastimila Harta a jejich spolupracovníků vyplývá, že ano. 

Klíčový pokus provedli vědci v hvozdech Českého lesa, kde zvířecí kompasy neruší jinak všudypřítomný elektronický šum moderní civilizace. V dřevěné stáji pro koně rozmístili dřevěné kruhové výběhy a do každého vypustili jednu z myšic křovinných (Apodemus sylvaticus) pochytaných v okolním lese. Hlodavcům připravili do výběhu piliny a seno na stavbu hnízda. Myšice si budovaly hnízdo buď na jižním, nebo severním okraji výběhu. Vědci se domnívají, že si tak zvířata usnadňovala orientaci v novém prostředí. 

Zajímavá situace nastala, když vědci vystavili myšice umělému, rychle oscilujícímu magnetickému poli, které pootočilo magnetické světové strany o 90°. Toto umělé magnetické pole bylo 300krát slabší než přirozené magnetické pole Země, přesto je myšice poslechly a budovaly hnízda na východním a západním okraji výběhu. Tento zásadní objev zveřejnil česko-německý tým v předním vědeckém časopise Scientific Reports. Klasické zvířecí kompasy jsou vůči rychle oscilujícímu poli odolné. Zmýlit se jím nechá jen kvantový kompas. Také myšice tedy zřejmě využívají právě tento způsob orientace. 

TIP: Po magnetických stezkách: Zvířata, která se chovají jako živé kompasy

Náš obraz zvířecích kompasů stále není úplný. Do rozsáhlé mozaiky zbývá vědcům doplnit ještě spoustu „kamínků“. Už stávající stav poznání ale ukazuje, že při orientaci podle magnetického pole využívají zvířata velmi různorodé fyzikální mechanismy a ty se uplatňují pro nejrůznější účely. Nás může jen těšit, že čeští vědci zanechali v cestě za poznáním živočišných kompasů nesmazatelnou stopu.