แบคทีเรียแมกนีโตแท็กติก

แบคทีเรียแมกนีโตแท็กติก (magnetotactic bacteria) เป็นกลุ่มแบคทีเรียจากหลายชาติพันธุ์ที่รู้ว่าใช้สนามแม่เหล็กเพื่อจัดทิศทางของตนแบคทีเรียเหล่านี้มีพฤติกรรมที่เรียกว่า magnetotaxis เป็นวิธีที่แบคทีเรียจัดตัวเองแล้วอพยพไปในทิศทางตามเส้นสนามแม่เหล็กของโลกแบคทีเรียมีแมกนีโตโซม (magnetosome) ซึ่งเป็นอนุภาคแมกนีไทต์ (Fe3O4) หรือ iron sulfide (Fe3S4) ขนาดนาโนเมตรภายในตัวเซลล์[4]แมกนีโตโซมจะล้อมด้วยเยื่อซึ่งประกอบด้วยฟอสโฟลิพิดบวกกรดไขมัน และมีโปรตีนอย่างน้อย 20 ชนิด[5]โดยจัดเป็นโซ่ที่โมเมนต์แม่เหล็ก (magnetic moment) ของแมกนีโตโซมแต่ละอนุภาคจะเป็นไปในทิศทางเดียวกัน ทำให้แบคทีเรียแต่ละตัวเป็นเหมือนกับแม่เหล็กถาวร

คริปโตโครม

กลไกการรับรู้สนามแม่เหล็กของสัตว์ยังไม่ชัดเจน แต่มีสมมติฐานหลัก 2 อย่างที่อธิบายปรากฏการณ์นี้[6]ตามแบบจำลอง/สมมติฐานแรก การรับรู้สนามแม่เหล็กเป็นไปได้เพราะ radical pair mechanism[7]ซึ่งเป็นทฤษฎีที่ชัดเจนแล้วในสาขา spin chemistry[8][9][10]จึงได้คาดตั้งแต่ปี 1978 ว่า เป็นกลไกของการรับรู้สนามแม่เหล็ก

ในปี 2000 คริปโตโครม (cryptochrome)[upper-alpha 1]ได้เสนอว่าเป็น "โมเลกุลแม่เหล็ก" ที่อาจมี radical pair ที่ไวสนามแม่เหล็กคริปโตโครมเป็น flavoprotein ที่พบในตาของนกรอบินยุโรป (Erithacus rubecula, European robin) และสัตว์สปีชีส์อื่น ๆ เป็นโปรตีนเดียวที่รู้ว่าก่อ radical pair เนื่องกับแสงภายในสัตว์[7]หน้าที่ของคริปโตโครมจะต่างกันในสปีชีส์ต่าง ๆ แต่การก่อ radical pair จะเกิดต่อเมื่อได้รับแสงสีน้ำเงิน ซึ่งกระตุ้นอิเล็กตรอนในส่วนกำเนิดสี (chromophore)[12]สนามแม่เหล็กโลกมีแรงเพียงแค่ 0.5 เกาส์ radical pair จึงเป็นกลไกเดียวที่รู้ซึ่งสนามแม่เหล็กอ่อน ๆ สามารถมีผลต่อกระบวนการเคมี[13]คริปโตโครมจึงเชื่อว่าจำเป็นต่อสมรรถภาพการรับรู้สนามแม่เหล็กอาศัยแสงของแมลงวันทอง[14]

เหล็ก

แบบจำลองที่สองของการรับรู้สนามแม่เหล็กอาศัยเหล็ก ซึ่งเป็นแร่ธรรมชาติที่มีกำลังแม่เหล็กแรงแนวคิดนี้เป็นที่นิยมเพราะมันเสริมสมรรถภาพการรับรู้แม่เหล็กของแบคทีเรียแมกนีโตแท็กติกหย่อมเหล็กได้พบโดยหลักในนกพิราบสื่อสารที่ปากด้านบน[15]แต่ก็พบในสัตว์ในอนุกรมวิธานอื่น ๆ ด้วย[16]

หย่อมเหล็กเช่นนี้พบว่าเป็นสารประกอบสองอย่าง คือ magnetite (Fe3O4) และ maghemite (γ-Fe2O3)ทั้งสองเชื่อว่าเชื่อมกับระบบประสาทกลางและมีบทบาทในประสาทสัมผัสแม่เหล็กโดยเฉพาะเพื่อสร้างแผนที่แม่เหล็ก[17][18]แต่งานวิจัยที่เพ่งความสนใจไปที่หย่อมแมกนีไทต์ก็พบว่า ไม่ใช่เซลล์ประสาทที่ไวแม่เหล็ก[19]

ส่วน maghemite ได้พบเป็นเกล็ดรูปร่างคล้ายกับเกล็ดเลือด อยู่ตามเดนไดรต์รับความรู้สึก (sensory dendrite) ของปากด้านบนของนก มีขนาดเล็กเป็นนาโนเมตรและเมื่ออยู่ในขนาดเช่นนี้ เหล็กออกไซด์จะกลายเป็นแม่เหล็กถาวรเมื่อยาวกว่า 50 นาโนเมตร และจะเริ่มกลายเป็นแม่เหล็กเมื่อสั้นกว่า 50 นาโนเมตรเพราะเกล็ดอยู่จับเป็นกลุ่มขนาด 5-10 เกล็ด จึงเชื่อว่าพวกมันจะก่อไดโพลแม่เหล็กโดยจำกัดอยู่ที่เดนไดรต์ซึ่งมันอยู่ความเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กเฉพาะที่ก็จะก่อการตอบสนองเชิงกลตามเยื่อของเซลล์ประสาท ทำให้ความเข้มข้นของไอออนเปลี่ยนไปความเข้มข้นของไอออนเช่นนี้ เมื่อเทียบกับกลุ่มเดนไดรต์อื่น ๆ เชื่อว่า ก่อการรับรู้สนามแม่เหล็ก[18]

กระเปาะลอเร็นซีนี

กลไกรับรู้สนามแม่เหล็กอีกอย่างที่กล่าวถึงก็คือการรู้สนามแม่เหล็กไฟฟ้าของฉลาม ปลากระเบนธง และปลาอันดับ Chimaeriformes (ghost shark) ซึ่งล้วนเป็นปลากระดูกอ่อนปลาเหล่านี้มีอวัยวะรับรู้ไฟฟ้าพิเศษที่เรียกว่า กระเปาะลอเร็นซีนี (ampullae of Lorenzini) ซึ่งสามารถตรวจจับความแตกต่างเล็ก ๆ น้อย ๆ ของศักย์ไฟฟ้าอวัยวะเช่นนี้ประกอบด้วยรูที่มีเยื่อเมือกเต็มซึ่งเชื่อมรูผิวหนังไปถึงถุงเล็ก ๆ ภายในเนื้อโดยถุงก็มีเยื่อเมือกเต็มเหมือนกันอวัยวะสามารถตรวจจับไฟฟ้ากระแสตรง และมีการเสนอว่า เพื่อใช้ตรวจสนามไฟฟ้าอ่อน ๆ ที่ทั้งเหยื่อและสัตว์ล่าก่อขึ้น (เพราะประสาทและกล้ามเนื้อ)อวัยวะเช่นนี้อาจรู้สนามแม่เหล็กได้อาศัยกฎการเหนี่ยวนำของฟาราเดย์ คือเมื่อวัตถุนำไฟฟ้าเคลื่อนที่ผ่านสนามแม่เหล็กก็จะสร้างศักย์ไฟฟ้าในกรณีนี้ ตัวนำไฟก็คือสัตว์ที่เคลื่อนที่ผ่านสนามแม่เหล็ก และศักย์ไฟฟ้าที่เหนี่ยวนำ (Vind) จะขึ้นอยู่กับอัตราความเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์แม่เหล็กผ่านวัตถุนำไฟตามสมการ

V i n d = − d ϕ d t {\displaystyle V_{ind}=-{\frac {d\phi }{dt}}}

อวัยวะเช่นนี้สามารถตรวจจับการขึ้น ๆ ลง ๆ เล็ก ๆ น้อย ๆ ของความต่างศักย์ระหว่างรูกับฐานของถุงตัวรับรู้ไฟฟ้า

ศักย์ไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นมีผลเป็นอัตราการทำงานทางประสาทที่ลดลง และศักย์ที่ลดลงมีผลเป็นอัตราการทำงานของประสาทที่เพิ่มขึ้นนี่เหมือนกับตัวนำไฟที่กำลังนำไฟฟ้าคือถ้าช่องมีความต้านทานตายตัว ศักย์ที่เพิ่มขึ้นก็จะลดกระแสไฟฟ้าที่ตรวจจับได้ โดยนัยตรงข้ามก็กลับกันตัวรับไฟฟ้าอยู่ตามปากและจมูกของฉลามและปลากระเบนธง[20][21]แม้จะยังเป็นเรื่องไม่ยุติแต่ก็มีการเสนอว่า ในสัตว์บก หลอดกึ่งวงกลมภายในหูชั้นในสามารถมีระบบไวแม่เหล็กที่อาศัยการเหนี่ยวนำทางไฟฟ้าแม่เหล็ก[22]