Удивительная способность мигрирующих животных ориентироваться и запоминать маршруты может быть связана не только с чувствительностью к магнитным полям Земли, но и, возможно, с взаимодействием с магнитными бактериями, живущими внутри них.
Магнитотактические бактерии - это разнообразные прокариоты, характеризующиеся способностью генерировать биогенные магнитные кристаллы железа. Магнитотактические бактерии повсеместно распространены в водной среде и все больше данных указывают на то, что они могут присутствовать в микробиоме животных. К сожалению, их трудно культивировать in vitro, поэтому необходимы дополнительные исследования, направленные на изучение их биогеографического распространения и экологической роли.
Взаимосвязь между этими магнитными бактериями и животными, в которых они обитают, еще не до конца изучена, но доцент кафедры биологии Университета центральной Флориды Роберт Фитак недавно составил базу данных ДНК животных, содержащую сотни миллионов последовательностей, указывающих на присутствие различных типов магнитных бактерий, чтобы использовать ее в качестве инструмента в своем стремлении узнать больше. Эта база данных является шагом вперед в его исследованиях и основана на предыдущих гипотезах и анализах, опубликованных в 2020 году в сотрудничестве с коллегами из Великобритании и Израиля.
В 2021 году Фитак продолжал изучать базы данных, чтобы определить, какие животные могут быть носителями магнитных бактерий и существуют ли какие-либо доминирующие закономерности. "Первое исследование, которое мы провели, заключалось в изучении существующих баз данных и обобщении информации о том, в каких случаях мы находили этих бактерий у разных животных", - рассказал он. "Мы просмотрели около 50 000 предыдущих научных исследований. Теперь мы расширили этот поиск, изучив всемирную базу данных генетической информации, и смогли обобщить информацию о местонахождении этих бактерий на основе триллионов генетических последовательностей". В итоге эта база данных была опубликована в журнале Data in Brief, и она заимствует информацию из общедоступного архива Sequence Read Archive из Национального центра биотехнологической информации США.
Фитак сосредоточился на систематизации последовательностей ДНК, полученных от разных видов животных, которые содержат известные магнитные бактерии, чтобы помочь себе и другим исследователям сузить круг поиска экологических и природоохранных ролей магнитных бактерий и идентифицировать потенциальных животных-хозяев. Ученые использовали уточненные данные для выявления потенциальных организмов-хозяев магнитных бактерий и создания более широкого контекста для изучения роли, которую они могут играть в организме животных, например, для навигации. "В конечном итоге, если мы будем лучше понимать, как животные ориентируются, это будет полезно для сохранения исчезающих или охраняемых видов", - говорит Фитак. "Если мы будем знать, куда и как они собираются перемещаться, это поможет нам принимать более точные управленческие решения".
Фитак заинтересован в том, чтобы выяснить, обитают ли магнитные бактерии в тех местах внутри животного, где те могут их почувствовать, например в нервной системе. Фитак считает, что они могут служить навигационным помощником для животных или служить дополнительным стимулом для таких существ, как птицы или морские черепахи, которые уже используют магнитное поле Земли для навигации на большие расстояния. "Это почти как микробный компас и мы изучаем, как это может работать", - пояснил Фитак.
По его словам, еще одна потенциальная польза заключается в том, что ученые могут изучить, как животные чувствуют магнитные поля, и, возможно, имитировать их использование в различных сферах, например, для доставки лекарственных препаратов. Однако убедительных доказательств того, что эти животные используют магнитные бактерии для навигации или нет, пока нет, отмечает Фитак. "Главный вывод, который мы сделали по результатам нашего исследования, заключается в том, что мы пока не знаем, являются ли эти бактерии сенсорными для животного, но у нас есть доказательства того, что они обитают в этих животных", - говорит он. "Но что мы узнали, так это то, что мы можем использовать генетические метки, которые являются сигнатурами магнитных бактерий, и мы идентифицировали эти генетические сигнатуры этих бактерий внутри различных животных, включая людей".
По словам Фитака, такие бактерии часто живут в отложениях или иле, где мало кислорода. По его словам, они собирают микроскопические намагниченные железные "цепочки", которые помогают им передвигаться. Неизвестно, как именно эти бактерии оказываются внутри организмов, но есть предположение, что, возможно, через поглощение или потребление. "На сегодняшний день наши результаты показывают, что эти магнитные бактерии, похоже, являются обычным компонентом микробиомов многих видов", - говорит Фитак. "Надеемся, что наши дальнейшие работы покажут, являются ли они случайным образом собранными из окружающей среды, функциональным компонентом магнитной чувствительности для животного-хозяина или выполняют какую-то другую неизвестную функцию".
Фитак и его коллеги сосредоточились на изучении образцов от зеленых и логгерхедских морских черепах для изучения магнитных бактерий. "Морские черепахи - это своего рода модель навигации для животных", - говорит он. "Мы проверяли наши гипотезы на морских черепахах, поскольку они очень точно перемещаются в очень специфические места". Фокусировка на морских черепахах была естественным следующим шагом, поскольку известно, что они обладают магнитными бактериями и используют магнитное поле Земли для миграции.
Исследователи осторожно собирают образцы слез мягкими тампонами у гнездящихся самок черепах, которые впадают в состояние, почти похожее на транс, когда откладывают яйца, и у молодых особей. По словам Фитака, когда черепахи находятся на суше, они выделяют крупные слезы, чтобы сохранить глаза влажными, и их сбор занимает около 30 секунд. "Мы начали со слезных протоков, потому что они связаны с нервами, которые потенциально связаны с магнитными ощущениями животных", - говорит он. "С биологической точки зрения имеет смысл искать именно там, а собирать слезы морских черепах очень просто".
Фитак говорит, что пока доволен результатами, но надеется, что исследование подтолкнет их к более определенным выводам. "Эта работа была действительно захватывающей", - сообщил он. "Никто не искал магнитные бактерии именно у морских черепах. Мне интересно узнать, откуда они взялись и какие виды магнитных бактерий есть у каждого вида морских черепах. До этого еще далеко, но пока мы работаем над тем, чтобы понять "есть ли они?" и "откуда они берутся?".
По словам Фитака, возможность поделиться уникальным открытием магнитных бактерий, помогающих животным в навигации, поистине удивительна. "Самое захватывающее - это возможность рассказать людям о том, что в мире существуют эти бактерии", - говорит он. Итоговый массив данных может быть использован исследователями для изучения экологической роли конкретных магнитотактических бактерии или выявления потенциальных организмов-хозяев. Эти данные будут способствовать дальнейшему прояснению роли этих загадочных микроорганизмов.
