Eine Studie mit Fruchtfliegen, die von Forschern der Universitäten Manchester und Leicester geleitet und vom National Physical Laboratory unterstützt wurde, deutet darauf hin, dass die Fähigkeit der Tierwelt, ein Magnetfeld zu spüren, möglicherweise weiter verbreitet ist als bisher angenommen.
Das Papier, erschienen in Natur macht heute bedeutende Fortschritte in unserem Verständnis darüber, wie Tiere Magnetfelder in ihrer Umgebung wahrnehmen und darauf reagieren.
Dieses neue Wissen könnte auch die Entwicklung neuartiger Messinstrumente ermöglichen, bei denen die Aktivität biologischer Zellen – möglicherweise auch des Menschen – mithilfe von Magnetfeldern selektiv stimuliert werden kann.
Das Team zeigt zum ersten Mal, dass ein Molekül namens Flavin-Adenin-Dinukleotid (oder kurz FAD), das in allen lebenden Zellen vorhanden ist, in ausreichend hohen Mengen einem biologischen System magnetische Empfindlichkeit verleihen kann.
Wissenschaftler wissen bereits, dass Arten wie der Monarchfalter, die Taube, die Schildkröte und andere Tiere das Magnetfeld der Erde nutzen, um über große Entfernungen zu navigieren. Aber die Entdeckung könnte bedeuten, dass die biologischen Moleküle, die zum Erfassen von Magnetfeldern erforderlich sind, in mehr oder weniger großem Umfang in allen Lebewesen vorhanden sind.
Der Co-Lead-Forscher und Neurowissenschaftler Professor Richard Baines von der University of Manchester sagte: „Wie wir die Außenwelt wahrnehmen, vom Sehen, Hören bis hin zum Berühren, Schmecken und Riechen, ist gut verstanden. Aber im Gegensatz dazu, welche Tiere können spüren und wie sie auf ein Magnetfeld reagieren, bleibt unbekannt. Diese Studie hat bedeutende Fortschritte gemacht, um zu verstehen, wie Tiere externe Magnetfelder wahrnehmen und darauf reagieren – ein sehr aktives und umstrittenes Feld.“
Dazu nutzte das Forschungsteam die Fruchtfliege (Drosophila melanogaster), um die Genexpression zu manipulieren, um ihre Ideen zu testen. Obwohl die Fruchtfliege äußerlich sehr unterschiedlich ist, enthält sie ein Nervensystem, das genauso funktioniert wie unseres und in unzähligen Studien als Modell zum Verständnis der menschlichen Biologie verwendet wurde.
Magnetorezeption – wie der sechste Sinn genannt wird – ist viel schwieriger zu erkennen als die bekannteren fünf Sinne Sehen, Riechen, Hören, Tasten und Schmecken.
Das liegt, sagt Co-Lead-Forscher und Neurowissenschaftler Dr. Adam Bradlaugh von der University of Manchester, daran, dass ein Magnetfeld sehr wenig Energie trägt, im Gegensatz zu Licht- oder Schallwellen, die von den anderen Sinnen verwendet werden und im Vergleich dazu eine große Wirkung haben .
Um dies zu umgehen, hat die Natur die Quantenphysik und Cryptochrom ausgenutzt – ein lichtempfindliches Protein, das in Tieren und Pflanzen vorkommt.
Dr. Alex Jones, ein Quantenchemiker vom National Physical Laboratory und ebenfalls Teil des Teams, sagte: „Die Absorption von Licht durch das Cryptochrom führt zur Bewegung eines Elektrons innerhalb des Proteins, das aufgrund der Quantenphysik eine erzeugen kann aktive Form von Cryptochrom, die einen von zwei Zuständen einnimmt. Das Vorhandensein eines Magnetfelds wirkt sich auf die relative Population der beiden Zustände aus, was wiederum die ‚aktive Lebensdauer‘ dieses Proteins beeinflusst.“
Dr. Bradlaugh sagte: „Eines unserer auffälligsten Ergebnisse, das im Widerspruch zum derzeitigen Verständnis steht, ist, dass Zellen weiterhin Magnetfelder ‚spüren‘, wenn nur ein sehr kleines Fragment von Cryptochrom vorhanden ist zumindest in einem Labor Magnetfelder auf andere Weise wahrnehmen.“
Er fügte hinzu: „Wir identifizieren einen möglichen ‚anderen Weg‘, indem wir zeigen, dass ein grundlegendes Molekül, das in allen Zellen vorhanden ist, in ausreichend hohen Mengen magnetische Empfindlichkeit verleihen kann, ohne dass ein Teil von Cryptochromen vorhanden ist. Dieses Molekül – Flavin-Adenin-Dinukleotid (oder FAD kurz) – ist der Lichtsensor, der normalerweise an Cryptochrome bindet, um die Magnetosensitivität zu unterstützen.“
Die Ergebnisse, sagen die Forscher, sind wichtig, weil das Verständnis der molekularen Maschinerie, die es einer Zelle ermöglicht, ein Magnetfeld zu erfassen, uns besser einschätzen lässt, wie sich Umweltfaktoren (z. B. elektromagnetisches Rauschen von der Telekommunikation) auf Tiere auswirken können, die auf a angewiesen sind magnetischer Sinn, um zu überleben.
Die Magnetfeldeffekte auf FAD in Abwesenheit von Cryptochrom liefern auch einen Hinweis auf die evolutionären Ursprünge der Magnetorezeption, da es wahrscheinlich ist, dass Cryptochrom sich entwickelt hat, um Magnetfeldeffekte auf diesen allgegenwärtigen und biologisch alten Metaboliten auszunutzen.
Der Co-Hauptautor Professor Ezio Rosato von der University of Leicester sagte: „Diese Studie könnte es uns letztendlich ermöglichen, die Auswirkungen besser einzuschätzen, die eine Magnetfeld-Exposition möglicherweise auf den Menschen haben könnte. Darüber hinaus, weil FAD und andere Komponenten dieser molekularen Maschinen darin gefunden werden vielen Zellen könnte dieses neue Verständnis neue Forschungswege zur Verwendung von Magnetfeldern eröffnen, um die Aktivierung von Zielgenen zu manipulieren. Das wird als ein heiliger Gral als experimentelles Werkzeug und möglicherweise schließlich für den klinischen Einsatz angesehen.“
Mehr Informationen:
Adam A. Bradlaugh et al, Wesentliche Elemente der Radikalpaar-Magnetosensitivität in Drosophila, Natur (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-05735-z