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

Mnohé zvířecí migrace představují nejen impozantní fyzický výkon, ale rovněž kladou vysoké nároky na orientaci. Rybák dlouhoocasý (Sterna paradisaea) podniká dlouhé tahy z Arktidy k antarktickým břehům a ročně nalétá desetitisíce kilometrů. Neztratí se, i když mořské pláně mu nenabízí mnoho orientačních bodů.

Podobně samice karety obecné (Caretta caretta) vyrážejí na plavby dlouhé tisíce kilometrů, aby se nakonec vrátily naklást vejce na stejnou pláž, kde se samy vylíhly. Pomáhají jim v tom vnitřní kompasy a mapy, které spoléhají kromě jiného i na magnetické pole Země.

Neomylný průvodce všech generací

Magnetické pole není vidět, slyšet ani cítit. Nedokážeme ho nahmatat. Přesto je všude kolem nás. Jeho siločáry pronikají naším tělem nepovšimnuty a bez zjevných účinků. Zvířata je však vnímají. Ukazuje cestu humrům na dně moří, včelám bzučícím nad rozkvetlou loukou, americkým čolkům zelenavým (Notophthalmus viridescens) plazícím se po březích lesních tůní nebo červenkám obecným (Erithacus rubecula) poletujícím v našich parcích a zahradách.

Člověk umí s pomocí kompasu určit světové strany. Zvířata dokážou díky smyslům pro vnímání magnetického pole mnohem víc. Vnitřním kompasem někteří živočichové „čtou“ směr siločar běžících mezi magnetickými póly Země. To jim dovoluje určit správný směr jejich putování.

TIP: Zvířata na cestách aneb Tajemství stěhovavých živočichů

Siločáry magnetického pole Země nemají všude stejný sklon. Nad rovníkem běží rovnoběžně se zemí, na magnetických pólech směřují k zemi kolmo. Pokud živočich určí sklon siločar magnetického pole v místě, kde se právě nachází, získá tak představu, jak moc se vzdálil od rovníku. Můžeme říct, že tak určil svou zeměpisnou šířku.

Zemské magnetické pole je dost proměnlivé, ale v různých částech světa si udržuje určité parametry, vedle sklonu siločar například i určitou intenzitu. Zvířata, která dokážou tyto parametry vnímat, mohou z jejich hodnot odhadnout i to, jak daleko se posunula na východ nebo západ. Zjednodušeně lze říci, že mohou určit svou zeměpisnou délku. Na základě údajů ze „zvířecího GPS“ a „zvířecího kompasu“ je migrujícímu rybákovi nebo želvě jasné, kde se právě nachází a kudy povede jeho další cesta. Generacemi prověřené pudy jím poradí, kdy „zahnout“, aby se na své cestě nezatoulali do nebezpečných končin a spolehlivě našli cíl cesty.

Smysly, kterými zvířata vnímají magnetické pole Země, patří k nejméně prozkoumaným. V poslední době se ale i na tomto poli vědci dočkali mnoha významných objevů. Tajemství zvířecích kompasů a GPS se nám pomalu odkrývají.

Žralok jako vodivá tyč

Ze školních hodin fyziky si možná pamatujete poučku, která říká, že pohyb elektronů ve vodiči kolem něj generuje magnetické pole. A naopak, pohyb magnetickým polem vyvolává ve vodiči tok elektronů. Využití tohoto fyzikálního jevu pro orientaci podle magnetického pole se sice zdá nasnadě, ale ve skutečnosti je jeho uplatnění v přírodě velmi vzácné. Zcela jistě se s pomocí tzv. elektromagnetické indukce orientují žraloci, rejnoci a další paryby (Chondrichthyes).

Z čistě fyzikálního hlediska můžeme tělo žraloka považovat za „tyč z vodivého materiálu“. Když žralok plave magnetickým polem, dochází v jeho těle k posunu iontů a vzniká v něm elektrické napětí. Protože je okolní slaná mořská voda vodivá, proudí tělem žraloka i okolní vodou velmi slabé elektrické proudy, které by většina živočichů nedokázala zaznamenat. Žralok je však vybaven tzv. Lorenziniho ampulemi, orgány, které už na sklonku 17. století objevil italský lékař a přírodovědec Stefano Lorenzini. Ampule je tvořena drobným kanálkem vyplněným slizovitou hmotou, který ústí do systému váčků vyplněných rovněž zvláštním slizem.

Na žraločím rypci jsou ústí ampulí patrné jako drobné černé tečky a vytvářejí druhově specifické symetrické vzory. Žralok vnímá prostřednictvím Lorenziniho ampulí slanost vody, její teplotu i tlak. Kromě toho zachycuje těmito citlivými orgány také elektrické pole vytvářené činností svalů jiných živočichů. Díky tomu odhalí kořist i v kalné vodě a rovněž najde tvory skryté na dně pod nánosy bahna nebo písku. Pomocí Lorenziniho ampulí vnímá i slabé proudy vznikající v důsledku jeho vlastního pohybu v magnetickém poli. Ty jsou nejslabší, pokud žralok plave ve směru siločar. Maximální intenzity dosahují elektrické proudy kolem žraločího těla, když paryba zamíří napříč siločarami zemského magnetického pole. Pro žraloka je to stejný ukazatel jako pro nás výchylka střelky kompasu.

Živočichové, kteří žijí na souši, se pohybují v silně nevodivém prostředí. Navíc nebývají vybaveni orgány s citlivostí srovnatelnou s Lorenziniho ampulemi. Musí proto při orientaci spoléhat na jiné mechanismy.

Střelky „zarostlé“ v těle

Mnozí tvorové využívají k orientaci mikroskopické částečky magnetitu čili oxidu železnato-železitého, které v jejich těle fungují jako střelka kompasu. Částečky byly odhaleny u širokého spektra organismů od bakterií až po savce. Například u lososů se vyskytují ve větším nahlučení mezi okem a nozdrou. Právě do tohoto místa míří jedna z větví trojklanného nervu a odvádí odtud vzruchy do mozku. Tak je zajištěno zpracování dat sbíraných smyslem pro magnetické pole.

Podobné nahloučení magnetitových částic najdeme i u holubů a mnoha tažných ptáků. Jsou jimi vybaveny mořské želvy nebo delfíni. Také u těchto zvířat končí v blízkosti shluku magnetitových částic bohatě rozvětvená odnož trojklanného nervu. Zcela jistě nejde o náhodu, ale spíš o pravidlo platné pro funkci smyslu určeného ke vnímání magnetického pole u širokého druhového spektra obratlovců.

Částice magnetitu v hlavě lososa mají průměr asi 50 nanometrů a jsou natrvalo zmagnetizované. V magnetickém poli Země se chovají jako střelka kompasu a mají tendenci se natočit tak, aby jejich konce směřovaly k severnímu a jižnímu magnetickému pólu. Protože jsou však pevně zarostlé v tkáni, projevuje se jejich tendence k pohybu jen tlakem na okolní tkáně. Čím více jsou magnetitové částice vychýleny polohou rybího těla ze severo-jižního směru, tím více tlačí na okolní buňky. Citlivá nervová zakončení tento tlak zaznamenají a mozek pak informaci vyhodnotí.

Proč i malé střelky stačí

Trvalé magnety nemohou být příliš malé. To je dáno fyzikálními zákony. Zjednodušeně si můžeme představit, že příliš malé částice nemají velký problém s prohazováním svých magnetických pólů a také jimi neustále „míchají“. V konečném důsledku si takové částice neudrží trvale orientované vlastní magnetické pole a nemohou fungovat jako střelky kompasu. Přesto mnozí živočichové ve svých magnetických smyslech právě takové malé magnetitové částice mají. Ty se nacházejí například v ozobí holubů, kde však zcela jistě slouží k hledání cesty pomocí magnetického pole. Jak to mají holubi zařízeno?

Maličké magnetitové částice vykazují vlastnost, kterou fyzikové označují jako superparamagnetismus. Pokud se ocitnou v magnetickém poli Země, generují své vlastní magnetické pole. To je dost silné na to, aby odpuzovalo nebo naopak přitahovalo okolní magnetitové částice obdařené vlastním magnetickým polem. Velmi malé superparamagnetické magnetitové částice se sice nenatáčejí jako střelky kompasu, ale i tak mají tendenci se pohybovat. I ony jsou zarostlé v tkáni a různou měrou ji „namáhají“. Nervová vlákna to zaznamenají a odvedou vzniklý vzruch do příslušného centra mozku.

Octomilky versus lidé

Nejpodivuhodnější systém vnímání magnetismu využívá skutečnosti, že reakce některých molekul závisí na síle okolního magnetického pole. Jde o reakce, jež lze z hlediska klasické chemie hodnotit jako „exotické“ nebo aspoň „krajně neobvyklé“. V laboratorních podmínkách jsou většinou pro ovlivnění chemických reakcí zapotřebí magnetická pole neskonale silnější, než je magnetické pole Země. V poslední době je ale k dispozici stále více důkazů o tom, že v živých buňkách podléhají biochemické reakce i slabým magnetickým polím.

Zdá se, že mnozí živočichové kombinují biochemický systém detekce magnetického pole se zrakem. Orgán pro chemické vnímání magnetického pole je uložen v sítnici oka, kde se nacházejí molekuly kryptochromů. Ty jsou aktivovány dopadajícím světlem, především jeho modrou složkou. Následně se mohou aktivované kryptochromy účastnit biochemických reakcí, jejichž průběh podléhá vlivu magnetického pole Země.

Nejlépe je biochemické vnímání magnetického pole prozkoumáno u mušek octomilek. Ty lze vycvičit tak, aby našly zdroj potravy označený magnetem. Pokud však mušky v důsledku zásahu do dědičné informace nedokážou vyrábět kryptochrom, o svůj magnetický orientační smysl přijdou. Pozoruhodný pokus z poslední doby prokázal, že kryptochrom ze sítnice lidského oka dokáže octomilkám výpadek jejich vlastního kryptochromu nahradit. To znamená, že kryptochrom savců může fungovat jako ukazatel magnetického pole. Výsledky pokusu však nelze interpretovat jako důkaz existence magnetického smyslu u člověka. Lidské kryptochromy zjevně slouží jiným účelům.

Lze magnetické pole vidět?

O tom, jak zvířata vnímají magnetické pole pomocí kryptochromů, se mezi vědci zatím vedou dohady. Ke vzrušujícím teoriím patří představa, podle které zvířata magnetické pole vidí. Reakce kryptochromů v buňkách sítnice mohou tyto buňky podráždit podobně jako dopadající světlo. Zvíře vidí své okolí tak, jak jej vnímáme i my díky světlu dopadajícímu na světločivné buňky oční sítnice. Přes běžný obraz okolního světa se mu však promítá obrazec vykreslený biochemickými reakcemi kryptochromů. Ten zvířeti zviditelní magnetického pole. Obrazec může mít formu stínu nebo světelného vzoru. Jak se zvíře natáčí, mění se nejen to, co vidí, ale mění se i obrazec odpovídající okolnímu magnetickému poli. Poznatky o biochemickém vnímání magnetického pole jsou natolik nové a prozatím i neúplné, že je někteří přírodovědci považují spíše za zajímavou teorii než za jasně prokázaný fakt.

TIP: Šestý smysl? Divoká prasata mají vnitřní kompas na vnímání magnetického pole

Zvířata přitom zřejmě nespoléhají na jediný systém detekce magnetického pole. Přední odborník na magnetickou orientaci živočichů americký biolog Kenneth Lohmann z University of North Carolina je přesvědčen, že například mořské želvy nebo tažní ptáci kombinují biochemické vnímání magnetického pole s detekcí využívající částice magnetitu. Každý systém zaznamenává něco jiného. Oko vidí magnetické pole díky kryptochromům a slouží jako kompas k určení směru pohybu. Magnetitové částice slouží k měření síly magnetického pole i směru a sklonu siločar a zvířata je používají jako obdobu GPS pro určení polohy.

Nejen magnetické pole