Biolog bestrider konklusionerne af nyere artikler om biologisk magnetisme

Caltech-biolog Markus Meister bestrider nyere forskning og hævder at have løst, hvad han beskriver som "det sidste sande mysterium inden for sensorisk biologi" - dyrenes evne til at detektere magnetiske felter. Denne "magnetiske sans" giver en navigationshjælp til en række forskellige organismer, inklusive fluer, postduer, muldvarpe, og flagermus.

I tre separate artikler, der vises i tidsskrifter udgivet af Nature Publishing Group, hold af forskere fra Peking Universitet i Beijing, University of Virginia, og Rockefeller University i New York bygger en videnskabelig case, baseret på eksistensen af ​​særlige jernholdige proteinmolekyler, for hvordan levende celler kan blive påvirket af magnetiske felter. Hvis det er korrekt, disse fund ville hjælpe med at forklare, hvordan dyr fornemmer magnetisme, og hvordan cellulære funktioner en dag kan blive kontrolleret ved hjælp af magnetiske felter.

En vigtig egenskab ved jern er, at det kan magnetiseres som nålen på et kompas. Fordi de beskrevne proteiner indeholder så meget jern, argumentet lyder, de ville blive påvirket af Jordens magnetfelt, giver en mekanisme, hvorigennem organismer kunne fornemme dette felt.

Problemet, siger Meister, Anne P. og Benjamin F. Biaggini professor i biologiske videnskaber, er, at hvert af proteinerne beskrevet i trioen af ​​Nature-papirer ikke indeholder nok jern til at blive påvirket af magnetiske felter.

"Vi taler om en forskel på mellem fem og 10 størrelsesordener. Mængden af ​​jern i molekylerne er ikke engang tæt på at være nok, " siger Meister, der diskuterer sin analyse af de tre undersøgelser i et papir udgivet af tidsskriftet eLife. Den forskel er enorm. Meister sammenligner det med at hævde at have bygget en elbil, der kunne køre i et år - på et enkelt AA-batteri.

Efter at have bemærket problemet, Meister tjekkede ind med kolleger i marken, herunder Joseph Kirschvink (BS, MS '75), Nico og Marilyn Van Wingen professor i geobiologi ved Caltech, der er kendt for at arbejde med magnetoreception baseret på magnetit (Fe ₃ O ₄ ), en ferromagnetisk jernmalm. I 2001 Kirschvink offentliggjorde beviser for, at krystaller af magnetit i dyr kan spille en rolle i dyrs magnetiske følsomhed. Kirschvink var enig i Meisters analyse. "Markus er spot-on, " siger Kirschvink.

I en af ​​aviserne, udgivet i Naturmaterialer i november 2015, en gruppe ledet af Siying Qin fra Peking University rapporterer opdagelsen af ​​et jernrigt stavlignende proteinkompleks i øjnene på frugtfluen Drosophila, der, forfatterne siger, kunne være kilden til fluens magnetoreception. De kaldte komplekset MagR, for magnetoreceptorprotein.

MagR omfatter 40 jernatomer. Disse jernatomer, Forskerne fra Peking Universitet siger, give nok af et magnetisk moment (bevægelse som reaktion på et magnetfelt), at omkring 45 procent af de isolerede proteiner orienterer sig med deres lange akse langs det geomagnetiske felt. Med andre ord, papiret foreslår, at proteinerne justeres som reaktion på Jordens magnetfelt, så de peger mod det magnetiske nord som nålen på et kompas.

Imidlertid, Meister siger, at proteinerne faktisk ikke har nok jernindhold til at være følsomme over for magnetiske felter.

De mindste jernpartikler, der vides at have et permanent magnetisk moment ved stuetemperatur, er krystaller af Fe ₃ O ₄ , som er omkring 30 nanometer store. Hver krystal indeholder omkring 1 million tætpakkede jernatomer. Det betyder, at selvom alle 40 jernatomer i et MagR-protein formår at forbinde sig på en eller anden måde og fungere som en enkelt enhed, proteinets resulterende magnetiske moment ville stadig være for lille til at flugte med Jordens geomagnetiske felt ved stuetemperatur. Magnetisme er låst i en kamp mod den kaos-inducerende energi af varme, som arbejder på at randomisere orienteringen af ​​proteinkomplekset. Denne termiske effekt er omkring fem størrelsesordener stærkere end ethvert magnetisk træk på de 40 jernatomer.

"Dette er bagsiden af ​​kuverten fysik, " siger Meister.

De to andre papirer - en i Naturens neurovidenskab af Michael Wheeler fra University of Virginia og en i Naturmedicin af Sarah Stanley fra Rockefeller University - udforsk muligheden for at udvikle mekanismer, der ville bruge jernatomer i celler til at kontrollere ionkanaler.

Ionkanaler er gateways i cellulære membraner, der tillader passage af ioner gennem membranen, sender således signaler ind og ud af cellen. Disse signaler styrer cellulære funktioner. For eksempel, ionkanaler i nerveceller kan overføre smertesignaler. At være i stand til selektivt at åbne og lukke ionkanaler med magnetiske felter, snarere end med medicin, ville tilbyde klinikere en minimalt invasiv teknik til at kontrollere celler - f.eks. smertebehandling uden brug af lægemidler.

Både Wheelers og Stanleys resultater afhænger af brugen af ​​ferritin, en hul proteinskal, der, tidligere forskning har vist, kan pakkes med jern. (De fleste organismer producerer naturligt ferritin for at lagre jern, som er giftigt, når det flyder frit gennem cellerne.) Begge grupper fæstnede en ferritinkugle til en ionkanal, der ligger i cellemembranen, med det formål at skabe en mekanisme til at åbne eller lukke kanalen ved at manipulere bolden med magnetiske felter. Wheeler foreslog fysisk at trække i ferritinkuglen med et magnetfelt, mens Stanley brugte et magnetfelt til at opvarme ferritinen og udløse den vedhæftede ionkanals åbning og lukning.

Ingen af ​​ordningerne kan muligvis fungere, siger Meister.

Ja, Meisters beregninger viser, at ferritin er for lille i mange størrelsesordener til at blive påvirket af magnetiske felter. "I begge tilfælde man kan bebrejde valget af ferritin, " siger Meister. Da ferritin ikke har noget permanent magnetisk moment, magnetiske felter interagerer kun svagt med det. "Hvis de rapporterede virkninger virkelig opstod som beskrevet, de har nok ikke noget med ferritin at gøre."

Imidlertid, han foreslår, der kan være en farbar vej til at kontrollere ionkanalfunktionen i celler ved hjælp af meget større magnetiske partikler, som dem, der findes i visse magnetiske bakterier.

Mens fejltrin i videnskaben er almindelige og faktisk en del af den videnskabelige proces - deraf behovet for peer-review for artikler - bekymrer Meister, at disse meddelelser kan afskrække andre videnskabsmænd fra at forsøge at forstå årsagerne til magnetisme i biologiske sammenhænge.

"Det er som om messingringen allerede er blevet snuppet, " siger Meister. "Det er alt for nemt for nogen at se på det og tænke, 'Okay, Det er vist blevet besvaret. Jeg vil prøve at løse et andet problem, derefter.'"

Meisters papir har titlen "Physical Limits to Magnetogenetics".