Reichenbach a magnetorecepce

Roku 1850 zveřejnil Dr. Karl von Reichenbach seznam s přesnými adresami 61 senzitivních osob (31 žen a 30 mužů), pozo­rujících při experimentech v temných komorách podivné plameny nad magnety a barevné vyzařo­vání různých látek. Tyto osoby pocházely ze všech vrstev společ­nosti, včetně vědců. Mezi 13 sen­zitivními vědci mělo 6 vy­soké postavení, ostatních 7 nejvyšší vzdělání. Jak Reichenbach uvádí, získal také kriticky posuzo­vané a s dosavadními poznatky po­rovnávané infor­mace od dalších asi 100 re­spondentů (pod pojmem "senzitivní" rozumíme vysoce citlivý či vní­mavý, přičemž pod "senzitivitou" pak rozumíme citlivost či schopnost reagovat na pod­nět).

Vyzařování různých látek je důležitým zdrojem informací o složení dané látky. Z tohoto hlediska se studiem látek zabývá optická spektrální analýza, založená na zjišťování vlnových délek záření vy­sí­laných různými zdroji. Ovšem základním přístrojem je zde spektroskop, který je založen na rozkladu světla. Na první pohled se některé poznatky této analýzy mohou podobat po­z­natkům z vý­zkumu Dr. Karla Reichenbacha. Jenže fundament optické spektrální analýzy tvoří skutečné světlo, pro člověka viditelné jen v nám známém výseku z jeho celkového rozsahu (s vlnovými dél­kami zhruba od 400 do 700 nanometrů). Naproti tomu Reichenbachovy poz­natky přítomnost světla při experimentech v temných komorách zcela vylučují. Jeho "ódické světlo" má rozhodně jiný cha­rak­ter než obklopující nás dobře známé viditelné světlo. Ve skutečnosti se tak Reichenbachem na­shromážděné poznatky, i když se zde hovoří o pozorovaném vyzařování látek, nám známého vi­ditelného světla vůbec netýkají.  

Ovšem naskýtá se zde otázka, zda Reichenbachovo barevné světlo magnetů nepředstavuje jen souznění smyslů (synestézii), u člověka se projevující například jako slyšení barev nebo barevné vi­dění zvuku či vůní. Tedy když se při představě o určité smyslové kvalitě objeví vjem z jiné smys­lové oblasti (tyto prožitky uvádí podle některých pramenů zhruba 0,5 promile dospělých osob a kolem 5 % dětí předškolního věku). V případě synestézie bychom pak Reichenba­chova barevná světla nad magnety mohli chápat například jako zrakový vjem, který byl vyvolán v procesu senzi­tivního vnímání sen­zorickými infor­macemi (počitky) z jiných než zrakových receptorů, neboť v temných komorách není žádné světlo a drtivá většina z nás zde nevidí vů­bec nic. Nakonec už sám termín synestézie po­chází z řeckého synaisthesis - společný, současný pocit. A tak se nezdá být od věci názor, že subjekt vnímající v temné komoře světla nad magnety, sám přesvědčený o tom, že světla vidí, má ve skutečnosti jen pocit, že Reichenbachova světla vnímá svým zrakem.

Obecně dosud platí, že objektivní příčinou barevného vjemu je světlo (ovšem lidské vnímání barvy a aso­ciace s ní spojené jsou ovlivněny mnoha vlivy). Ve druhé půli 19. století seznámil Maxwell ve­řej­nost se svými závěry, podle kterých „světlo a magnetismus jsou jevy téže podstaty a světlo je elektromagnetický vzruch, který se šíří polem podle elektromagnetických zákonů“. Maxwellova teo­rie naprosto uspokojivě vysvětluje všechny optické jevy a měla by vysvětlovat i barevné spektrum Reichenbachova světla. Avšak receptory, které stojí za vnímáním tzv. ódických barev v temných komorách, představují pro nás (i přes některé náznaky) dosud velkou nezná­mou. I tak zde platí, že fyzikální popis kolority je založen na barevnosti a relativní intenzitě záření povr­chem tělesa odra­ženého nebo z povrchu tělesa vystupujícího. Pokud se tedy budeme někdy zabývat řadou látek, seřazenou podle jejich tzv. ódické barvy, budeme se z hle­diska současné fyziky a chemie zabývat fyzikálním popi­sem kolority, kterou chápeme jako psy­chofyzikální pojem.

Podle uznávané teorie barev lze jakoukoliv barvu chápat jako směs tří barev: červené, zelené a modré. Tato teorie platí i pro lidské oko. Jako světlocitlivé elementy se v oku uplatňují buňky, které nazýváme tyčinky a čípky. Tyčinky jsou mnohem početnější a jsou rozloženy hlavně na okrajích sítnice. Mají všechny stejnou spektrální citlivost a proto nerozlišují barvy, ale pouze různé jasy (od­stíny šedé). Zajišťují vidění při nízkých hladinách osvětlení, kdy je nedostatečná úroveň pro čípky, proto také v noci barvy nevnímáme. Čípky jsou hlavně ve středu sítnice, přímo proti rohovce a za­jišťují ostré vidění. Známe tři typu čípků, každý s jinou spektrální citlivostí. Náš barevný vjem záleží zčásti na tom, které čípky byly světlem stimulovány. Do jaké míry je světlo vnímáno jako jasné nebo slabé, závisí pak na intenzitě osvětlení. Spektrální citlivosti čípků se vzájemně výrazně pře­sahují. Např. modrocitlivé čípky reagují i na zelenou. Ale stupeň odezvy (elektrického impulzu) bude různý pro každý typ čípku. Např. světlo o vlnové délce 550 nm vyvolá silnou odezvu u zele­nocitlivých čípků, slabou u červenocitlivých a skoro žádnou u modrocitlivých. Mozek tedy vyhodnotí vjem jako zelenou barvu.

Ale neexistuje snad v lidském oku ještě třetí typ buněk pro vnímání elektromagnetického pole? Nové fotoreceptory sítnice i nové fotopig­menty umožňující synchronizaci cirkadiánních rytmů byly sice již delší čas před­po­kládány, ale až v tomto desetiletí byly u člověka potvr­zeny a prokázány. Nacházejí se hlouběji v sítnici a slouží k synchronizaci našeho vlastního tělního rytmu se střídáním dne a noci. A jak se dnes ukazuje, úloha některých fotopigmentů by mohla být základem schop­nosti živočichů oriento­vat se v prostoru podle magnetického pole Země. Zmíněné schopnosti má podle dosud nasbí­ra­ných poznatků skupina molekul flavoproteinů (z hlediska fyzi­kálně-chemických vlastností opravdu jedinečných) nazvaná kryptochromy. Velkou evoluční úspěš­nost a význam kryptochromů podpo­ruje fakt, že mimo archeí (skupina jednobuněčných organizmů, jejichž bu­něčná membrána je tvořena jen jednou vrstvou) se kryptochromy vyskytují napříč celým spektrem organizmů, počínaje bakteriemi a člověkem konče. O významu kryptochromů svědčí i to, že v průběhu fyloge­netického vývoje organizmů zůstává struktura, až na drobné změny, poměrně stálá. Proto také hledá magne­tobiologie v současné době odpověď na otázku, jaká že je role této fyziologicky velmi významné, poměrně nedávno objevené molekuly v procesu vnímání geomagne­tického pole živoči­chy. 

Zde si dovolím citovat úryvek z bakalářská práce Přemysla Bartoše z roku 2009: "Vůči tvrzení, že chemická reakce může být užita pro určení smě­rování siločar zemského magnetického pole, by se naprostá většina fyzikálních chemiků stavěla přinejmenším skepticky. Zjevně nejpádnějším argu­mentem by byl fakt, že energie inte­rakce mole­kuly a magnetického pole o velikosti přibližně 50 µT je o více než šest řádů nižší než průměrná hodnota tepelné energie kBT. A ta je dále desetkrát až stokrát menší než je síla chemi­cké vazby (Rodgers et Hore, 2009). Navzdory skutečnosti, jak ne­pravděpodobné se zdá být, že takto téměř zanedbatelná působení mohou nahradit četnost aktivo­vaných chemických reakcí nebo pozici che­mické rovnováhy, nás četné výzkumy a pozorování be­haviorálních projevů v živočišné říši pře­svědčují o opaku. Jsme tedy opět svědky praktického pří­kladu přírody, který prokazuje neúplnost vědeckého poznání daného jevu. Stejně tak, jako když poměrně nedávno vědci, tehdy ještě ne­znalí důležitosti neodtržení vzdušného víru od náběžné hrany křídla a rozličného poloho­vání křídla, nedokázali odůvodnit, jak se čmelák se svou tělesnou hmotností a nízkou frekvencí mávnutí křídel může vůbec vznést, natož pak létat. I když díky prak­tickým zkušenostem byl jeho let zcela nezpo­chybnitelný" (Přemysl Bartoš - Fyziologická úloha kryptochromů, Ústav experimentální biologie, PF Masarykovy univerzity, Brno 2009).

Trochu odbornější vsuvka:

Molekulární vlastnosti kryptochromu popsali poprvé M. Ahmad a R. A. Cashmore v roce 1993. Na výskyt kryptochromu v živočišné říši, konkrétně u člověka a myši, upozornil jako první kolektiv vědců pod vedením D.S. Hsu v roce1996. Role kryptochromů v buněčném signálování u živočichů byla poprvé popsána na hmyzu, konkrétním modelem byla octomilka obecná (Stanewsky et al., 1998; Emery, 1998). Objevy interakce DmCry s cirkadiánními proteiny timeless (Tim) či period (Per) navíc potvrdily funkci kryptochromu jako světločivného prostředku synchronizace cirkadián­ních hodin (Ashmore et Seghal, 2003; Panda et al., 2003). Cílem současných výzkumů je ob­jas­nění způsobu, jakým světlo aktivuje živočišné kryptochromy, popis jejich vlivů na cirkadiánní rytmy živých organismů a v neposlední řadě i přesná role kryptochromů při magnetorecepci zvířat.

Již od sedmdesátých let minulého století je známo, že určité chemické reakce jsou ovlivněny po­případě spouštěny aplikováním magnetického pole. Klíčovou úlohu zde mají radikálové páry tj. páry přechodných radikálů vzniklých ve stejnou chvíli tak, že dva elektronové spiny, jeden na kaž­dém radikálu, spolu korelují. Nepárové elektrony se mohou vyskytovat ve dvou odlišných spi­no­vých stavech a to buď jako antiparalelní (tzv. singletový stav) či paralelní (tzv. tripletový stav). Zá­kladním požadavkem pro funkci radikálového páru jako magnetoreceptoru je výskyt alespoň jedné superjemné (hyperfine) interakce (tzn. nitroradikálového párování magnetického momentu nepáro­vého elektronu a magnetického momentu jádra atomu 1H nebo 14N), která je zodpovědná za vzájemnou přeměnu singletového a tripletového stavu radikálového páru a umožňuje její modi­fi­kaci vnějším magnetickým polem. Jedná se o koherentní proces kvantové me­chaniky, kde hod­nota frekvence přeměn je určena silou superjemných (hyperfine) interakcí. Zee­mannova interakce magnetických momentů dvou elektronů, způsobující dodatečnou periodicitu vzájemných přeměn, zodpovídá za citlivost vůči působení vnějších magnetických polí. Pro funkci radikálového páru ja­kožto fyziologického kompasu je však mimo vnímání intenzity magnetického pole nutné vnímat i jeho směr. Což podle četných výzkumů zabezpečuje závislost elektrono-jádro­vého párování na orientaci molekuly ve vnějším magnetickém poli (Rodgers et Hore, 2009).

Pozorování elektronové paramagnetické rezonanční (EPR) a nukleární magnetické rezonanční (NMR) spektroskopie zřetelně prokazují anisotropické superjemné interakce ve spinové dynamice fotosyntetických radikálových párů. Na přelomu tisíciletí, přesněji v roce 2000, byla vznesena hy­potéza, že právě molekuly kryptochromu mohou nést magneticky citlivé radikálové páry (Ritz et al., 2000). Ačkoliv od té doby uplynulo již 10 let, jeví se molekula kryptochromu zatím jako jediný přija­telný kandidát pro funkci zprostředkovatele vnímání magnetických polí. Molekula kryptochromu obsahuje dva nekovalentně vázané chromofory a to redoxně aktivní flavin adenin dinukleotid (FAD) a světlo-pohlcující (light-harvesting) kofaktor. Absorpce modrého světla vede ke zformování proteinových vazeb radikálů flavinu a tryptofanu (někdy též i tyrozinu) cestou podobnou fotoakti­vaci u fotolyáz. Fotoexcitovaný FAD je redukován na flavosemichinonový radikál (FAD·-), nebo jeho protonovanou neutrální formu (FADH·) sekvencí nitroproteinových elektronových transferů po konzervovaném řetězci tří tryptofanových reziduí (tzv. Trp-triády). Ten při oxidaci terminálního tryptofanového rezidua dosahuje formy TrpH·+ radikálu, jenž může dále deprotonovat na neutrální formu radikálu Trp· (Kao et al., 2008; Rodgers et Hore, 2009). Detailní mechanizmus signálování kryptochromů není dosud zcela jasný, ale předpokládá se, že způsobují konformační změny pro­teinů zprostředkovávající interakci s následnými signálními partnery (Lin et Todo, 2005). Podle po­slední hypotézy skupiny Thorstena Ritze (Ritz et al., 2009) je zapotřebí, aby jednou z radiká­lových složek byl superoxidový radikál ·O2-, jehož výskyt je v živých systémech naprosto běžný.

http://is.muni.cz/th/223065/prif_b/Bc._prace_Premysl_Bartos.doc

Přednášky cyklu Věda kontra iracionalita se v roce 2011 konají tradičně v budově Akademie věd ČR na Národní třídě 3 v Praze 1, a to v místnosti 206 od 17 hodin. Po přednáškách následuje diskuze:  Středa 16. 3. 2011 - prof. MUDr. Jiří Heřt, DrSc.: Magnetorecepce - orientace - navigace, jedna z největších záhad biologie.