Recepción magnética
Capacidad biológica para percibir campos magnéticos.

Los experimentos realizados con petirrojos europeos , que son aves migratorias , sugieren que su sentido magnético utiliza el mecanismo del par radical cuántico .

La magnetorrecepción es un sentido que permite a un organismo detectar el campo magnético de la Tierra . Entre los animales que poseen este sentido se encuentran algunos artrópodos , moluscos y vertebrados (peces, anfibios, reptiles, aves y mamíferos). El sentido se utiliza principalmente para la orientación y la navegación , pero puede ayudar a algunos animales a formar mapas regionales. Los experimentos con aves migratorias proporcionan evidencia de que utilizan una proteína criptocroma en el ojo, basándose en el mecanismo del par radical cuántico para percibir los campos magnéticos. Este efecto es extremadamente sensible a los campos magnéticos débiles y se ve fácilmente alterado por la interferencia de radiofrecuencia, a diferencia de una brújula de hierro convencional.

Las aves tienen materiales que contienen hierro en la parte superior del pico. Hay evidencia de que esto proporciona un sentido magnético, mediado por el nervio trigémino , pero se desconoce el mecanismo.

Los peces cartilaginosos, como los tiburones y las rayas, pueden detectar pequeñas variaciones del potencial eléctrico con sus órganos electrorreceptores , las ampollas de Lorenzini . Estos parecen ser capaces de detectar campos magnéticos por inducción. Hay algunas pruebas de que estos peces utilizan los campos magnéticos para orientarse.

Historia

Los biólogos se han preguntado durante 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 solo conductual : muchos experimentos demostraron que los animales podían obtener información del campo magnético que los rodeaba, pero no dieron ninguna indicación del mecanismo. En 1972, Roswitha y Wolfgang Wiltschko demostraron que las aves migratorias respondían a la dirección e inclinación (inclinación) del campo magnético. En 1977, MM Walker y sus colegas identificaron magnetorreceptores basados ​​​​en hierro ( magnetita ) en los hocicos de la trucha arco iris . En 2003, G. Fleissner y sus colegas encontraron receptores basados ​​​​en hierro en los picos superiores de las palomas mensajeras, ambos aparentemente conectados al nervio trigémino del animal . Sin embargo, la investigación tomó una dirección diferente en 2000, cuando Thorsten Ritz y sus colegas sugirieron que una proteína fotorreceptora del ojo, el criptocromo , era un magnetorreceptor que funcionaba a escala molecular mediante entrelazamiento cuántico . [1]

Mecanismos propuestos

En animales

En los animales, el mecanismo de magnetorrecepción aún se encuentra bajo investigación. Actualmente se están discutiendo dos hipótesis principales: una que propone una brújula cuántica basada en un mecanismo de pares radicales [2] , y la otra que postula una brújula magnética más convencional basada en hierro con partículas de magnetita [3] .

Criptocromo

Se ha propuesto el mecanismo de pares radicales para la magnetorrecepción cuántica en las aves. Tiene lugar en las moléculas de criptocromo de las células de la retina de las aves . [4]

Según el primer modelo, la magnetorrecepción es posible a través del mecanismo de pares radicales , [5] 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. [6] [7] [8] [9] Debido a que el campo magnético de la Tierra es extremadamente débil, a 0,5 gauss , el mecanismo de pares radicales es actualmente la única forma creíble de que el campo magnético de la Tierra pueda causar cambios químicos (a diferencia de las fuerzas mecánicas que se detectarían a través de cristales magnéticos que actúan como una aguja de brújula). [9]

En 1978, Schulten y sus colegas propusieron que este era el mecanismo de la magnetorrecepción. [10] En 2000, los científicos propusieron que el criptocromo , una flavoproteína en las células de bastón en los ojos de las aves, era la "molécula magnética" detrás de este efecto. [11] Es la única proteína conocida que forma pares de radicales fotoinducidos en animales. [5] 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. [12] [13]

Numerosas líneas de evidencia apuntan al criptocromo y a los pares de radicales como el mecanismo de magnetorrecepción en las aves: [4]

  • A pesar de 20 años de búsqueda, no se ha identificado ninguna biomolécula distinta del criptocromo capaz de soportar pares radicales. [4]
  • En el criptocromo, una molécula amarilla, flavina adenina dinucleótido (FAD), puede absorber un fotón de luz azul, poniendo al criptocromo en un estado activado: un electrón se transfiere de un aminoácido triptófano a la molécula de FAD, formando un par de radicales. [4]
  • De los seis tipos de criptocromo presentes en las aves, el criptocromo-4a (Cry4a) se une al FAD mucho más fuertemente que el resto. [4]
  • Los niveles de Cry4a en las 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. [4]
  • La proteína Cry4a del petirrojo europeo , un ave migratoria, es mucho más sensible a los campos magnéticos que la proteína Cry4a similar pero no idéntica de las palomas y los pollos, que no son migratorias. [4]

Estos hallazgos en conjunto sugieren que la Cry4a de las aves migratorias ha sido seleccionada por su sensibilidad magnética. [4]

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 que estuviera en la misma frecuencia que la oscilación singlete-triplete de pares radicales criptocromáticos, interfería efectivamente con la orientación de las aves. El campo no habría interferido con una brújula a base de hierro. Además, las aves no pueden detectar una inversión de 180 grados del campo magnético, algo que detectarían directamente con una brújula a base de hierro. [4]

Una interferencia de radiofrecuencia muy débil impide que los petirrojos migratorios se orienten correctamente respecto del campo magnético de la Tierra . Dado que esto no interferiría con una brújula de hierro, los experimentos implican que las aves utilizan un mecanismo de pares radicales. [4]

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 él usaba. Sospechando que había interferencias de radiofrecuencia extremadamente débiles provenientes 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 conectó las láminas a tierra, 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 los equipos eléctricos, los pájaros se orientaron correctamente. Estos efectos implican una brújula de pares radicales, no de hierro. [4]

En 2016, Wiltschko y sus colegas demostraron que los petirrojos europeos no se veían afectados por la anestesia local en la parte superior del pico, lo que demuestra que en estas condiciones de prueba la orientación no provenía de receptores basados ​​en hierro en el pico. En su opinión, el criptocromo y sus pares de radicales proporcionan el único modelo que puede explicar la brújula magnética de las aves. [12] Se ha propuesto un esquema con tres radicales en lugar de dos como más resistente a la relajación del espín y que explica mejor el comportamiento observado. [14]

A base de hierro

El segundo modelo propuesto para la magnetorrecepción se basa en grupos compuestos de hierro , un mineral natural con un fuerte magnetismo, utilizado por las bacterias magnetotácticas. Se han observado grupos de hierro en el pico superior de las palomas mensajeras, [15] y otros taxones. [16] [5] [17] [18] Los sistemas basados ​​en hierro podrían formar una base magnetorreceptiva para muchas especies, incluidas las tortugas. [9] Tanto la ubicación exacta como la ultraestructura de los magnetorreceptores que contienen hierro de las aves siguen siendo desconocidas; se cree que están en el pico superior y que están conectados al cerebro por el nervio trigémino . Este sistema se suma al sistema criptocromo en la retina de las aves. También podrían existir sistemas basados ​​en hierro de función desconocida en otros vertebrados. [19]

Inducción electromagnética

La raya amarilla es capaz de detectar la intensidad y el ángulo de inclinación de un campo magnético . [20]

Otro posible mecanismo de magnetorrecepción en animales es la inducción electromagnética en peces cartilaginosos , a saber, tiburones , rayas y quimeras . Estos peces tienen órganos electrorreceptores , las ampollas de Lorenzini , que pueden detectar pequeñas variaciones en el potencial eléctrico . Los órganos están llenos de moco y consisten en 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 campos eléctricos débiles de presas y depredadores. Se ha predicho que estos órganos detectan campos magnéticos, por medio de 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 según V i norte d = − d ϕ d a {\displaystyle V_{ind}=-{\frac {d\phi }{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 produce una disminución en la tasa de actividad nerviosa. Esto es análogo al comportamiento de un conductor que transporta corriente. [21] [22] [23] 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. [23] La inducción electromagnética no se ha estudiado en animales no acuáticos. [9]

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. [20]

Alineación pasiva en bacterias

Magnetosomas de magnetita en la cepa SS-5 de Gammaproteobacteria . (A) Cadena de magnetosomas muy alargados. (B) Parte de una cadena. (C) El magnetosoma en la parte inferior derecha de (B), visto a lo largo de la dirección, con su transformada de Fourier en la parte inferior derecha. [24] [ 1 1 ¯ 0 ] {\displaystyle \scriptstyle [1{\overline {1}}0]}

Las bacterias magnetotácticas de múltiples taxones contienen suficiente material magnético en forma de magnetosomas , partículas de magnetita de tamaño nanométrico , [25] como para que el campo magnético de la Tierra las alinee pasivamente, tal como lo hace con la aguja de una brújula. Por lo tanto, las bacterias no detectan realmente el campo magnético. [26] [27]

Un mecanismo posible pero inexplorado de magnetorrecepción en animales es la endosimbiosis con bacterias magnetotácticas, cuyo ADN está muy extendido en los animales. Esto implicaría que estas bacterias vivieran dentro de un animal y que su alineación magnética se utilizara como parte de un sistema magnetorreceptivo. [28]

Preguntas sin respuesta

Sigue siendo probable que dos o más mecanismos complementarios desempeñen un papel en la detección del campo magnético en los animales. Por supuesto, esta posible teoría 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. [9]

Además, es posible que los sentidos magnéticos sean diferentes para las distintas especies. Algunas especies pueden ser capaces de detectar únicamente el norte y el sur, mientras que otras pueden ser capaces de diferenciar únicamente entre el ecuador y los polos. Aunque la capacidad de percibir la dirección es importante para la navegación migratoria, muchos animales tienen la capacidad de percibir pequeñas fluctuaciones en el campo magnético de la Tierra para determinar su posición con una precisión de unos pocos kilómetros. [9] [29]

Rango taxonómico

La magnetorrecepción está ampliamente distribuida taxonómicamente. Está presente en muchos de los animales investigados hasta ahora, entre ellos los artrópodos , los moluscos y, entre los vertebrados, en peces, anfibios, reptiles, aves y mamíferos. Su estado en otros grupos sigue siendo desconocido. [30]

La capacidad de detectar y responder a los campos magnéticos puede existir en las plantas, posiblemente como en los animales mediada por el criptocromo. Los 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 han sido a veces controvertidos y no se ha identificado ningún mecanismo definitivamente. La capacidad puede estar ampliamente distribuida, pero se desconoce su rango taxonómico en las plantas. [31]

Eucariotas
criptocromo 

En los moluscos

La babosa marina gigante Tochuina gigantea (anteriormente T. tetraquetra ), un molusco , orienta su cuerpo entre el norte y el este antes de la luna llena. [32] 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 hizo un giro hacia el este magnético. Cuando se invirtió el campo, los animales no mostraron preferencia por ninguno de los dos giros. [33] [34] El sistema nervioso de Tochuina está compuesto de neuronas identificables individualmente , cuatro de las cuales son estimuladas por cambios en el campo magnético aplicado y dos que son inhibidas por tales cambios. [34] Las huellas de la especie similar 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. [35]

En los insectos

La mosca de la fruta Drosophila melanogaster puede ser capaz de orientarse en campos magnéticos. En una prueba de elección , se colocaron moscas en un aparato con dos brazos rodeados de bobinas eléctricas. Se hizo pasar corriente a través de cada una de las bobinas, pero solo una estaba configurada para producir un campo magnético de 5 Gauss (aproximadamente 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 con una mutación antisentido, no eran sensibles a los campos magnéticos. [36]

La magnetorrecepción se ha estudiado en detalle en insectos, incluidas las abejas melíferas , las hormigas y las termitas . [37] Las hormigas y las abejas navegan utilizando su sentido magnético tanto localmente (cerca de sus nidos) como cuando migran. [38] En particular, la abeja brasileña sin aguijón Schwarziana quadripunctata es capaz de detectar campos magnéticos utilizando los miles de sensilas similares a pelos en sus antenas. [39] [40]

En vertebrados

En pescado

Los estudios de magnetorrecepción en peces óseos se han llevado a cabo principalmente con salmones. Tanto el salmón rojo ( Oncorhynchus nerka ) como el salmón chinook ( Oncorhynchus tschawytscha ) tienen sentido de 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; estos se reorientaron en línea con el campo. [41] [42]

En los anfibios

Algunos de los primeros estudios sobre la magnetorrecepción de los anfibios se llevaron a cabo con salamandras de cueva ( Eurycea lucifuga ). Los investigadores alojaron grupos de salamandras de cueva en corredores alineados con el eje magnético norte-sur o este-oeste. En las pruebas, el campo magnético se rotó 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. [43]

Los tritones de manchas rojas ( Notophthalmus viridescens ) reaccionan a los aumentos drásticos de la temperatura del agua dirigiéndose hacia la tierra. El comportamiento se altera si se altera experimentalmente el campo magnético, lo que demuestra que los tritones utilizan el campo para orientarse. [44] [45]

Tanto los sapos europeos ( Bufo bufo ) como los sapos corredores ( Epidalea calamita) dependen de la vista y el olfato cuando migran a sus lugares de cría, pero los campos magnéticos también pueden desempeñar un papel. Cuando se desplazan aleatoriamente a 150 metros (490 pies) de sus lugares de cría, estos sapos pueden navegar para regresar, [46] pero esta capacidad puede verse alterada si se les colocan pequeños imanes. [47]

En reptiles

La magnetorrecepción desempeña un papel en la orientación de las crías de tortuga boba hacia el mar [48]

La mayoría de los estudios sobre magnetorrecepción en reptiles involucran tortugas. Un estudio de 1991 sobre crías de tortugas bobas proporcionó un respaldo temprano a la magnetorrecepción en tortugas que demostró que las tortugas bobas pueden usar el campo magnético como una brújula para determinar la dirección. [49] Estudios posteriores han demostrado que las tortugas bobas y verdes también pueden usar el campo magnético de la Tierra como un mapa, porque los diferentes parámetros del campo magnético de la Tierra varían con la ubicación geográfica. El mapa en tortugas marinas fue el primero que se describió, aunque ahora se han informado habilidades similares en langostas, peces y aves. [48] La magnetorrecepción de las tortugas terrestres se demostró en un experimento de 2010 en 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 imán fuerte interrumpió las rutas aprendidas. [50] [51]

La orientación hacia el mar, como se observa en las crías de tortuga, puede depender en parte de la magnetorrecepción. En las tortugas bobas y laúd , la reproducción tiene lugar en las playas y, después de la eclosión, 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 de estas crías (que las llevan de las playas al mar) se invierten tras la inversión experimental de los polos magnéticos. [52]

En las aves

Las palomas mensajeras utilizan campos magnéticos como parte de su complejo sistema de navegación . [53] William Keeton demostró que las palomas mensajeras desplazadas en el tiempo (aclimatadas en el laboratorio a una zona horaria diferente) son incapaces de orientarse correctamente en un día claro y soleado; esto se atribuye a que las palomas desplazadas en el tiempo son incapaces de compensar con precisión el movimiento del sol durante el día. Por el contrario, las palomas desplazadas en el tiempo liberadas en días nublados navegan correctamente, lo que sugiere que las palomas pueden utilizar campos magnéticos para orientarse; esta capacidad puede verse alterada con imanes adheridos a las espaldas de las aves. [54] [55] Las palomas pueden detectar anomalías magnéticas tan débiles como 1,86 gauss . [56]

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: primero, se informó de células que contenían magnetita en ubicaciones específicas en el pico superior. [57] Sin embargo, las células demostraron ser macrófagos del sistema inmunológico , no neuronas capaces de detectar campos magnéticos. [58] [59] En segundo lugar, la detección del campo magnético de la paloma se ve afectada por la sección del nervio trigémino y por la aplicación de lidocaína , un anestésico, a la mucosa olfativa. [60] Sin embargo, el tratamiento con lidocaína podría conducir a efectos inespecíficos y no representar una interferencia directa con los magnetorreceptores potenciales. [59] Como resultado, aún se debate una participación del sistema trigémino. En la búsqueda de receptores de magnetita, se encontró un gran orgánulo que contenía hierro (el cuticulosoma ) de función desconocida en el oído interno de las palomas. [61] [62] 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 . [63]

Las gallinas domésticas tienen depósitos minerales de hierro en las dendritas sensoriales del pico superior y son capaces de magnetorrecepción. [64] [65] El recorte del pico provoca la pérdida del sentido magnético. [66]

En los mamíferos

Algunos mamíferos son capaces de magnetorrecepción. Cuando se saca a los ratones de campo de su zona de residencia y se les priva de señales visuales y olfativas, se orientan hacia sus hogares hasta que se aplica un campo magnético invertido a su jaula. [67] Cuando a los mismos ratones se les permite el acceso a señales visuales, son capaces de orientarse hacia su hogar a pesar de la presencia de campos magnéticos invertidos. Esto indica que los ratones de campo utilizan campos magnéticos para orientarse cuando no hay otras señales disponibles. El sentido magnético de los ratones de campo probablemente se basa en un mecanismo de pares radicales. [68]

La rata topo de Zambia es uno de varios mamíferos que utilizan campos magnéticos, en su caso para la orientación de sus nidos. [69]

La rata topo de Zambia , un mamífero subterráneo, utiliza campos magnéticos para ayudar en la orientación del nido. [70] A diferencia de los ratones de campo, las ratas topo de Zambia no dependen de la magnetorrecepción basada en pares radicales, tal vez debido a su estilo de vida subterráneo. La exposición experimental a campos magnéticos conduce a un aumento en la actividad neuronal dentro del colículo superior , medido por la expresión génica 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 expuso 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 génica temprana inmediata dentro del InGi. [69]

Los campos magnéticos parecen desempeñar un papel en la orientación de los murciélagos . Utilizan la ecolocalización para orientarse en distancias cortas, que suelen ir desde unos pocos centímetros hasta 50 metros. [71] Cuando los murciélagos pardos grandes no migratorios ( Eptesicus fuscus ) son sacados de sus refugios y expuestos a campos magnéticos rotados 90 grados con respecto al norte magnético, se desorientan; no está claro si utilizan el sentido magnético como un mapa, una brújula o un calibrador de brújula. [72] Otra especie de murciélago, el murciélago ratonero mayor ( Myotis myotis ), parece utilizar el campo magnético de la Tierra en su área de distribución como una brújula, pero necesita calibrarlo al atardecer o al anochecer. [73] En los murciélagos soprano migratorios ( Pipistrellus pygmaeus ), los experimentos con espejos y bobinas de Helmholtz muestran que calibran el campo magnético utilizando la posición del disco solar al atardecer. [74] [75]

Los zorros rojos ( Vulpes vulpes ) pueden verse afectados por el campo magnético de la Tierra cuando atacan a pequeños roedores, como ratones y topillos. Atacan a estas presas con un salto alto específico, prefiriendo una dirección de brújula noreste. Los ataques exitosos se concentran en el norte. [76]

Se desconoce si los humanos pueden percibir campos magnéticos. [77] El hueso etmoides de la nariz contiene materiales magnéticos. [78] El criptocromo 2 magnetosensible (cry2) está presente en la retina humana. [79] Las ondas cerebrales alfa humanas se ven afectadas por los campos magnéticos, pero no se sabe si el comportamiento se ve afectado. [77] [79]

Véase también

Referencias

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