Met het oog op navigatie

Sommige dieren kunnen zich oriënteren op het gepolariseerd licht van de zon of de maan. Andere gebruiken daarentegen het magnetisch veld van de Aarde. In het volgende filmpje laat Marcus Byrne zien hoe de mestkever zich oriënteert op de zon en, gedurende de nacht, op gepolariseerd maanlicht.

Later werd aangetoond dat de mestkever in nachten zonder maanlicht zich ook kan oriënteren op de Melkweg. Dit is voornamelijk te danken aan zijn formidabele gezichtsvermogen blijkt uit de verschillende experimenten.

Mestkevers oriënteren zich gedurende nachten zonder maanlicht op de Melkweg

Wordt met behulp van spiegels de straling van de zon veranderd, dan vervolgt het beestje zijn weg in tegenovergestelde richting. Wordt door een scherm de polarisatie van maanlicht verstoord, dan verliest de kever elk richtinggevoel en doolt in het rond. Ook met het gebruik van artificiële koepels met oplichtende melkwegstelsels is de richting van voortbeweging te beïnvloeden. Bij het verliezen van grip op de mestbal en zodra de externe lichtbronnen veranderen ‘danst’ de kever even op zijn mestbal om zijn as te bepalen ten opzichte van de nieuwe input, om daarna in een andere richting door te lopen. Dit sterk ontwikkelde oriëntatievermogen heeft te maken met de noodzaak om zich zo snel mogelijk en dus in rechte lijn met een buitgemaakte mestbal te verwijderen van de plek waar andere mestkevers zich verzameld hebben. Ze stelen immers de mestballen van elkaar.

 

Navigatie op het magnetisch veld rond de Aarde is een heel ander hoofdstuk. Vorige maand is er een onderzoek gepubliceerd door Qin et al. van Peking University waarin aangetoond wordt dat fruitvliegjes in de cellen van hun kopje (hersenen + retina?) naaldvormige staafjes bezitten. Deze staafjes zijn gevormd door een eiwitcomplex met ijzer en zwavel. Dit zou de eigenlijke sensor van het magnetisch veld zijn die in samenwerking met het eiwitcomplex Cry (Cryptochromes) de gevoeligheid ten aanzien van de richting van het magnetisch veld bepaalt.

Het biokompas model van magnetoreceptie en navigatie bij dieren. a, Cry/MagR magnetosensor complex op nanoschaal met intrinsieke magnetische polariteit dat werkt als licht afhankelijk biokompas. Lineaire polymerisatie van Fe – S clusters bevattende magnetoreceptors (MagR) leidt tot de vorming van staafvormige biokompas (centrum, geel), omgeven door fotogevoelige cryptochromes (Cry, buitenste laag, blauw). b, Dwarsdoorsnede van a, die aangeeft dat electron transport van de FAD groep in Cry naar het Fe – S cluster in MagR als gevolg van licht stimulatie mogelijk is. c, Het biokompas model van magnetoreceptie. In navigatiesystemen bij dieren, het Cry/MagR magnetosensor complex kan een biologisch kompas vormen dat informatie ontvangt van het magnetisch veld van de Aarde, zoals polariteit (gelijk een conventioneel kompas), intensiteit en inclinatie. De weergave van het oppervlak van de Cry/MagR structuur (blauw en geel) werd in dit onderzoek met EM (elektronenmicroscoop) bevestigd. Het intrinsieke magnetisch moment van de magnetosensor zou een polariteitskompas kunnen vormen voor het ‘waarnemen’ van de richting van het magnetisch veld van de Aarde. De capaciteit om de intensiteit en het spontane bijstellen van de magnetosensor in magnetische velden waar te nemen (zoals links weergegeven), kan de basis vormen voor een intensiteitssensor en inclinatiekompas. De magnetische polen van de Aarde (zwarte pijlen) compenseren de rotatie as (zwarte lijn). De inclinatiehoek (aangegeven met ‘l’) en de intensiteit van het veld zijn weergegeven naar de richting en lengte van de pijlen (rood in het Noordelijk halfrond en blauw in het Zuidelijk halfrond). De magnetosensors MagR en Cry/MagR van twee soorten, de monarch vlinder (Danaus plexxipus, boven rechts) en een duif (Columbia livia, onder rechts), werden in dit onderzoek getest wat het model van een evolutionair geconserveerd biokompass onderstreept. Uit Qin, S. et al. 2015

Dat Cry een belangrijke rol moest spelen was al bekend aangezien fruitvliegjes zonder dit eiwit hun gevoeligheid voor het magnetisch veld verliezen. Maar welke structuur nu precies de sensor vormde wist men tot nu toe niet. Deze nieuwe structuur is MagR genaamd. De volgende figuur laat de structuur van het biokompas (Cry + MagR) zien.

 

Veel wetenschappers zijn sceptisch ook omdat vergelijkbare moleculen in veel andere dieren voorkomen waaronder ook de mens. De onderzoekers zouden ook niet in vivo aangetoond hebben dat de structuur daadwerkelijk als sensor dient. Een kritiek betrof het feit dat er niet verder gezocht is naar hoe de signalen doorgegeven en uitgewerkt worden in het brein. Dat is een eigenaardige claim want de vondst van deze sensor is, als deze ook door anderen correct bevonden wordt, een belangrijke vondst, waar velen zo snel mogelijk van willen weten. Bovendien dreigde een collega-wetenschapper al met de gegevens ervandoor te gaan. De man is ontslagen.

Interessant aan de uitgebreide studie is dat er in silico gezocht werd in het genoom naar sequenties die een eiwit zouden opleveren met de juiste eigenschappen. Een interessante werkwijze.

Het biokompas eiwitcomplex bevindt zich bij de duif in de retina. Misschien ‘zien’ de vogels het magnetische veld wel in plaats van het ‘waar te nemen’ of te ‘voelen’ (to sense).

 

Uit:

• Artikel in io9: Dung beetles use de milky way for navigation
• Nature News: Discovery of long-sought biological compass claimed
• Qin, S. et al. 2015. A magnetic protein biocompass. Nature Materials. (2015) in ReadCube
• Dacke, M., Nilsson, D.-E., Scholtz, C., Byrne, M., and Warrant, E. Animal behaviour: Insect orientation to polarized moonlight.Nature 424, 6944 (2003).