ספיגת מגנט קוונטית: הסודות האבולוציוניים של ניווט ציפורים

מחקר גנטי חדש מצביע על כך שהחלבון קריפטוכרום 4 בעיני ציפורים הוא המפתח ליכולות הניווט המגנטיות שלהם, כאשר שינויים אבולוציוניים מדגישים את תפקידו בהסתגלות לסביבות שונות.

לציפורים נודדות יש את היכולת לנווט מרחקים עצומים עם מדהים דיוק באמצעות מנגנונים שונים, כולל מצפן מגנטי. במחקר שנערך לאחרונה, צוות בראשות הביולוגיות ד"ר קורינה לנגברק וד"ר מרים לידפוגל השווה את הגנום של כמה מאות ציפורים מִין וגילה שינויים אבולוציוניים משמעותיים בגן שאחראי לקידוד החלבון קריפטוכרום 4. החלבון הזה, שנמצא בעיני הציפורים, נחשב כמגנטורצפטור המרכזי שמניע את יכולות הניווט שלהם.

קריפטוכרום 4 כמועמד למגנטו

ממצאים אלה מעידים על הסתגלות לתנאי סביבה משתנים ותומכים בתיאוריה לפיה קריפטוכרום 4 מתפקד כחלבון חיישן, כפי שהצוות מדווח במאמר שפורסם לאחרונה בכתב העת המחקרי של החברה המלכותית הבריטית הליכים של החברה המלכותית B Biological Sciences.

המחקר נגרם על ידי מחקר באוניברסיטאות אולדנבורג ואוקספורד שהוכיח שספיגת מגנטות מבוססת על תהליך מכני קוונטי מורכב המתרחש בתאים מסוימים ברשתית של ציפורים נודדות. ממצאים אלה, שפורסמו בשנת 2021 על ידי כתב העת המדעי טֶבַע, סיפק ראיות התומכות בהשערה שקריפטוכרום 4 הוא המגנטורצפטור שהם חיפשו. הם הוכיחו שקריפטוכרום 4 קיים ברשתית הציפורים. בנוסף, שני הניסויים בחלבונים המיוצרים בחיידקים וגם חישובי מודל הראו שקריפטוכרום 4 מציג את ההשפעה הקוונטית החשודה בתגובה לשדות מגנטיים.

רגישות השוואתית במיני ציפורים

המחקר הקודם גם מצא שקריפטוכרום 4 מפגין רגישות גדולה יותר לשדות מגנטיים בציפורים נודדות כמו רובין מאשר במינים תושבים כמו תרנגולות ויונים. "כתוצאה מכך, הסיבה לכך שקריפטוכרום 4 רגיש יותר אצל רובינים מאשר אצל תרנגולות ויונים חייבת להימצא בחלבון. DNA רצף", אומר Langebrake, המחבר הראשי של המחקר. "הרצף עבר כנראה אופטימיזציה על ידי תהליכים אבולוציוניים בציפורים נודדות ליליות אלה", היא מוסיפה.

במחקר הנוכחי, הצוות חקר את ה-magnetoreception מנקודת מבט אבולוציונית בפעם הראשונה. החוקרים ניתחו את הגנים הקריפטוכרום 4 של 363 מיני ציפורים. ראשית, הם השוו את קצב האבולוציה של החלבון לזה של שני קריפטוכרומים קשורים ומצאו שרצפי הגנים של הקריפטוכרומים ששימשו להשוואה היו דומים מאוד בכל מיני הציפורים. נראה שהם השתנו מעט מאוד במהלך האבולוציה. ככל הנראה זה נובע מתפקידם המרכזי בוויסות השעון הפנימי – מנגנון חיוני לכל הציפורים ושבו לשינויים יהיו השפעות שליליות ביותר.

קריפטוכרום 4, לעומת זאת, הוכח כמשתנה מאוד. "זה מצביע על כך שהחלבון חשוב להסתגלות לתנאי סביבה ספציפיים", מסביר Liedvogel, פרופסור לצפרות באוניברסיטת אולדנבורג ומנהל המכון לחקר העופות. ההתמחות שנוצרה יכולה להיות magnetoreception. "דפוס דומה נצפתה בחלבונים תחושתיים אחרים כמו פיגמנטים רגישים לאור בעין", היא מסבירה.

לאחר מכן, החוקרים בחנו מקרוב כיצד התפתח רצף הגנים של cryptochrome 4 בהיסטוריה האבולוציונית של ציפורים. הניתוח שלהם גילה מגמה בולטת, במיוחד בתוך מסדר העובר (Passeriformes), שבו החלבון עבר אופטימיזציה משמעותית באמצעות בחירה מהירה. "התוצאות שלנו מצביעות על כך שתהליכים אבולוציוניים יכלו להוביל להתמחות של קריפטוכרום 4 כמגנטורצפטור בציפורי שיר", אומר לנגברק.

רודנים איבדו את החלבון החשוד

המחקר גילה שקריפטוכרום 4 נעדר בציפורים מסוימות, כגון תוכים, יונקי דבש וטיראני (Suboscines). זה מצביע על כך שזה לא ממלא תפקיד חיוני בהישרדותם. עם זאת, בעוד שתוכים ויונקי דבש הם בישיבה, חלק מהרודנים הם מהגרים למרחקים ארוכים, אשר, כמו ציפורי שיר אירופאיות קטנות, עפות גם ביום וגם בלילה. "העובדה שבניגוד לרובין, אין להם קריפטוכרום 4 הופכת אותם למערכת אידיאלית לחקירת השערות שונות לגבי ספיגה מגנטית", אומר לנגברק.

זה מעלה את השאלה: האם ה-Tyranni פיתחו חוש מגנטי שפועל ללא תלות ב-cryptochrome 4, או שהם מסוגלים להתמצא ללא חוש מגנטי? אפשרות נוספת היא שלחוש המגנטי שלהם יש מאפיינים זהים לזה של רובינים, שהוא תלוי אור וניתן לשבש אותו על ידי גלי רדיו. "שני התרחישים הראשונים יאששו מאוד את השערת קריפטוכרום 4, בעוד שהשלישי יהווה בעיה עבור התיאוריה", מדגיש הביולוג.

בהמשך, צוות המחקר מתכנן לחקור את האוריינטציה המגנטית בטיראני ולקבוע אם יש להם חוש מגנטי או לא. "קלייד טיראני מספק לנו כלי טבעי להבנת הפונקציה של קריפטוכרום 4 והחשיבות של ספיגה מגנטית בציפורים נודדות. ", אומר לידפוגל.