חישה מגנטית

חישה מגנטית (באנגלית: Magnetoreception) היא החוש המאפשר לאורגניזם לחוש שדה מגנטי ובפרט את השדה המגנטי של כדור הארץ. באמצעי זה משתמשים בעלי חיים רבים כדי לנווט ולמקם את עצמם במרחב. ניתן למצוא חישה מגנטית בקרב בעלי חיים רבים ביניהם: תולעים, רכיכות, פרוקי- רגליים, דגים, דו- חיים, זוחלים עופות ויונקים.

מנגנוני חישה מגנטית

סוגי ניווט בבעלי חיים 
השדה הגיאומגנטי הוא תכונה פיזיקלית של כדור הארץ הנובעת מסיבובו סביב עצמו ומתנועות גאולוגיות בליבת כוכב הלכת . במשך שנים רבות העריכו מדענים כי בעלי חיים שונים משתמשים בשדה זה כדי לנווט ולהתמצא במרחב, אך הדרך בה הם עושים זאת נותרה לא לחלוטין ברורה .

השדה המגנטי של כדור הארץ יכול לספק מידע חושי מכמה סוגים: מחד ניתן למדוד את כיוון השדה, או את הקוטביות שלו (כמו שעושים בני אדם באמצעות מצפן). מידע זה יכול לספק לבעל החיים כיוון תנועה מועדף (ויכול להוות בסיס עבור ניווט לאורך מסלול פיזיקלי). מאידך ניתן למדוד את עוצמת השדה הגיאומגנטי (כמו שעושים בני אדם באמצעות מגנטומטר), בנוסף לכיוון הנטייה וההרכנה (כדי לקבל את כיוון הווקטור) מידע זה יכול לספק לבעל החיים את מיקומו במפה ויכול להוות בסיס עבור ניווט הנשען על "מפה קוגניטיבית". שילוב בין שני סוגי המידע הללו יכולים להוות את הבסיס לניווט מסוג הדומה לניווט אנושי המסתייע במצפן ובמפה.

שלושה מנגנונים עיקריים הוצעו כדי להסביר את המנגנונים המאפשרים לבעלי חיים לחוש את השדה הגיאומגנטי: חישה מגנטית כימית תלוית אור, השראה מגנטית, וחישה מגנטית מתווכת מגנטיט.

חישה מגנטית באמצעות חישה מגנטית כימית תלוית אור

חישה מגנטית באמצעות השראה מגנטית

חישה מגנטית מתווכת מגנטיט 
בשנות השישים נעשתה התצפית הראשונה של חומר מגנטי בבעלי חיים. מחקר זה תיאר את המינרלים בשיניי רכיכות ימיות ממשפחת הכתונתיים  והראה כי הם מכילים ברזל מחומצן, שהוגדר כמגנטיט (Fe3O4) או מגהמיט (Fe2O3). עובדה זו הפריכה את התפיסה שרווחה עד אז לפיה לא ייתכן חומר כזה בגופם של אורגניזמים. מאז נמצא מגנטיט בחיידקים ואף נמצאו המנגנונים המולקולריים המאפשרים לחיידקים להשתמש במגנטיט כבמצפן, והגנים המאפשרים לחיידק ליצור את המנגנון אשר יוצר ומנצל את המגנטיט הביוסינתטי מהברזל שבסביבתו. עם זאת בחולייתנים ובחסרי חוליות לא נמצאו גנים אורתולוגיים ואופן הפעולה של מגנוני החישה מתווכת המגנטיט נמצאים עדיין במחלוקת.

תולעים

רכיכות

פרוקי-רגליים

דגים 
מגוון מחקרים הראו כי הן לדגי גרם והן לדגי סחוס יכולת לחוש את הרכיבים השונים של השדה הגיאומגנטי, עם זאת עד היום לא לחלוטין ברור היכן ממוקמים התאים החשים את השדה המגנטי בדגים ובאיזה אופן הם פועלים.

ב-1984 חוקרים הראו כי דגי טונה צהובת סנפיר מגיבים לשינויים בשדה החשמלי. כדי להבין את מיקום המנגנון ואופן פעילותו החוקרים ייבשו, טחנו והקפיאו חלקים שונים בדג ובדקו את תכונותיהם המגנטיות. מתוך 17 דגימות רקמה שנבדקו, עצם הדרמאתמואיד (Dermethmoid bone) הייתה הרקמה בעלת ריכוז המגנטיט הגבוה ביותר ובעלת המומנט הגבוה ביותר ליחידת רקמה. מחקר זה הוביל להשערה כי עצם הדרמאתמואיד היא זו המכילה את מנגנון החישה המגנטי. בעבודה זו ובעבודת המשך על דגי סלמון אדום השתמשו במיקרוסקופיה אלקטרונית כדי לבחון את גודל חלקיקי המגנטיט בדגים ואת אופן פעולתם. המחקרים הראו כי גודל חלקיקי המגנטיט בעצם הדרמאתמואיד די אחיד ותואם את החישובים התאורטיים לגבי חיידקים המשתמשים בחישה מגנטית.

כדי להוכיח בצורה לוגית כי מיקום המנגנון בדגי גרם הוא באזור קדמת הראש וכדי להגדיר את מיקומו טוב יותר נערכו מחקרים אלקטרופיזיולוגיים בטרוטת עין הקשת. החוקרים הציבו אלקטרודות במספר מקומות בחלק הקידמי של הדג. העצב היחיד שהראה תגובה לשינויים בשדה המגנטי היה עצב הנקרא "ros V nerve", המהווה שלוחה של העצב המשולש. עצב זה הגיב לשינויים בשדה מגנטי של 50µT. העצב לא הגיב לשינויים בכיוון השדה המגנטי, אלא לשינויים בעוצמתו בלבד. בניסויים נוספים נמצא כי לאחר הרדמת האזור נצפה שינוי התנהגותי- פיזיולוגי כתגובה לשינוי בעוצמת השדה אך שינוי זה לא הופיע כתוצאה משינוי בכיוון השדה.

הידע שנצבר בנוגע למיקומים של ריכוזי המגנטיט שאותרו בכמה סוגי דגים לצד ההשפעה של שדות מגנטים על העצבים המובילים לאזורים אלו אפשרו לבצע סריקה אינטנסיבית של תאים באזור ספציפי כדי למצוא את התאים המאפשרים חישה מגנטית בדגים. באמצעות שילוב בין מיקרוסקופ קונפוקלי סורק (CLSM) לבין מיקרוסקופ כוח אטומי מגנטי  הצליחו החוקרים לזהות כי המגנטיט בתאים מסוימים מצוי כשרשרת שאורכה 1 µm בתוך רצפטור בתוך תא הבנוי ממספר אונות ונמצא בשכבה הבסיסית , בממברנות דקותלמלה  באפיתל הריח של הדג. באמצעות שימוש בשדה מגנטי חיצוני ניתן היה לראות את המבנה התלת־ממדי רב האונות של התאים וליצור תמונות המראות את רגישות התאים לשדה המגנטי ואת השינוי הפנימי שנוצר בהם בעקבות הפעלת השדה המגנטי החיצוני בכיוונים שונים .

מחקר מ-2015 השתמש באמצעים מתקדמים כדי לנסות ולמצוא את התאים המסוגלים לחוש מגנטיות בדגי טרוטה. במחקר השתמשו בהקרנה מגנטית על הרקמות וזיהו את התאים אשר הגיבו למגנט על ידי מדידת סיבוב תואם ברקמה לשדה המגנטי שהוקרן. נמצאו מעט מאוד תאים שהגיבו לשדה המגנטי באזור קדמת הראש של הדגים (כ-1 מתוך 520,000 תאים הסתובב בעקבות השפעת השדה המגנטי). לעומת זאת נמצא מגנטיט שהיה מצוי בחלל החוץ תאי, דבר היכול להעיד על מנגנון שאיננו קשור בחישה מגנטית, או על מגנטיט ממקור חיצוני. עם זאת בשיטה זו קיימת בעייתיות בזיהוי מומנטים חלשים (מתחת ל- 2 2 fAm) ועובדה זו גורמת לכך שהמחקר לא שולל לחלוטין את קיומם של רצפטורים בעלי ריכוז נמוך של מגנטיט באזור זה.

עופות 

השימוש בעופות כחיות מודל לחקר ההתמצאות במרחב הוא הנפוץ ביותר במחקר בתחום זה. בנוסף לשדה המגנטי חוקרים יודעים על מגוון רחב של מנגנונים המשמשים אותן להתמצאות. בין השאר שימוש בסימנים חזותיים כמו אור השמש, הירח, הכוכבים ופולריזציה של האור, ובסימנים מחוש הריח וחוש השמיעה. כיום מוסכם על ידי מרבית החוקרים כי עופות משתמשים גם בשדה הגיאומגנטי בניווט. מבין המחקרים שעסקו בחישה מגנטית בחולייתנים נראה כי המחקר המעמיק ביותר בתחום נוגע לעופות, אך עם זאת קיימים עדיין פערים מהותיים בנוגע להבנת אופן הפעולה של חוש זה בעופות ובנוגע למיקום התאים המאפשרים את קיומו.

כבר בשנות השבעים של המאה ה-20 הראו מחקרים כי לציפורים יש מצפן פנימי ומפת ניווט מנטלית הקשורים לשדה הגיאומגנטי. בהמשך נתגלה כי בדומה לחיידקים ולחסרי חוליות קיימים מצבורים של ברזל בגוף הציפור שיכולים להיות קשורים ליכולות אלו, מצבורים אלו מופו לאזור שבחלקו העליון של המקור. המחקרים הראשונים שבדקו את עצבוב מצבורי הברזל המחומצן בראש הציפור הגיעו לשתי מסקנות חשובות אשר מקובלות על רוב החוקרים גם היום: ראשית, החישה המגנטית מעצובבת על ידי ענף של העצב הקרניאלי החמישי, בדומה לדגים. המסקנה החשובה השנייה אליה הגיעו היא כי ריכוזי המגנטיט מאפשרים לעופות למדוד את עוצמת השדה הגיאומגנטי ובאמצעותו להשלים חלק "ממפת הניווט", גם זאת בדומה לצורה שבה משערים שהדבר נעשה בדגים. מסקנות אלו נבדקו במחקרים שונים לאורך השנים ומקובלות עד היום. מחקרים שונים הראו בצורה התנהגותית את יכולתם של עופות שונים למקם אנומליות בשדה הגיאומגנטי ובווריאציות שונות לבצע משימות על ידי שימוש בחוש זה.

במחקר שנערך ב-2007, חוקרים שחררו יוני בית שלהן הוצמדו משדרי GPS באתרים שלא היו מוכרים להן. מעקב אחר מסלולי התעופה של היונים הראה כי מסלולי התעופה היו מקבילים או מאונכים לשדה הגיאומגנטי, מחקר זה מחזק את הטענה כי עופות מסוגלים למדוד את עוצמת השדה הגיאומגנטי.

מחקרים שנערכו במאה ה-21 מערערים את ההיפיתזה לפיה הבסיס לחישה מגנטית מתווכת מגנטיט בציפורים נמצא מעל המקור. במחקר אחד צבעו החוקרים (באמצעות פיגמנט כחול פרוסי) אזורים שונים בגוף של יוני בית אשר עשויים להכיל מגנטיט. הצביעה הייחודית בה השתמשו רגישה לריכוזי ברזל מחומצן ולכן ניתן למפות באמצעותה את ריכוזי הברזל באזורים שונים ולהשוות בין פרטים השונים. בנוסף הם השתמשו בסמנים מולקולריים בשביל לזהות תאי עצב בחלק שמעל המקור ובאופן ספציפי באזור שמעל המקור בו נמצאו מרבצי ברזל. התוצאות הראו כי קיימת שונות מאוד גדולה בין פרטים בכמות הברזל במקור, באזורים שונים. בנוסף הם הראו כי המרבצים של הברזל מעל המקור ככל הנראה אינם נוירונים, אלא דווקא מאקרופגים, את הסיבה לשונות הגדולה בכמות הברזל בין היונים השונות הם תולים בכך שהברזל שנמצא הגיע מהסביבה החיצונית. מחקר אחר של אותה הקבוצה ניסה למצוא באמצעות איתור תאים המסוגלים להסתובב בהשפעת שדה מגנטי . בשני המחקרים הקבוצה לא מצאה מגנטיט בחלק שמעל המקור וכמו כן לא נמצא באזור זה מומנטום סיבוב משמעותי שהראה על פעילות של חלקיקים המיצרים סיבוב כתוצאה משדה מגנטי. מחקר נוסף של קבוצה זו הראה כי בניגוד למה שהיה מצופה על סמך מחקרים קודמים בנוגע לשימוש בסם משתק על אזורים המשמשים לחישת השדה המגנטי, מתן סם משתק מקומי באזור שמעל המקור תוך הפעלת שדה מגנטי לא גרם לחוסר פעילות בחלק הקשור לעצב המשולש בגזע המוח .

הקהילה המדעית חלוקה בנוגע לתובנות האחרונות בנוגע למיקום הרצפטורים הקשורים בחישה מגנטית מתווכת מגנטיט בעופות, ולכן החידה בנוגע לדרך בה משתמשים עופות בשדה הגיאומגנטי נותרה עדיין לא פתורה.

יונקים 

במשך שנים רבות היה ידוע על מספר מינים מוגבל של יונקים אשר מסוגלים להשתמש בשדה הגיאומגנטי להתמצאות. חולדיים הם חיית מודל חשובה בכל הנוגע לחישה מגנטית מתווכת מגנטיט שכן הם מאופיינים במחייה מתחת לאדמה בתנאי חושך מוחלטים וביכולת התמצאות בסביבה זו. בתחילת שנות האלפיים נמצא כי למין מסוים של חולד יש ריכוזים של ברזל מחומצן באפיתל הקרנית. לאחר שהרדימו את העיניים של החולדים נמצא בניגוד למצב הטבעי, בו החולדים בנו קינים בדרום הכלוב בחושך מוחלט (ולאחר מתן של תמיסת סליין כבקרה), תחת הרדמת העין כיווניות בניית הקינים נעלמה לחלוטין. על אף הקושי המובנה לבודד את החישה המגנטית מאיבר חישה כמו העין, מחקר זה מראה את הפוטנציאל שיש לחקר יונקים פעילי לילה כמו חולדים כדי לגלות את המנגנון בו עובדת חישה מתווכת מגנטיט .

יונקים פעילי לילה נוספים אשר ככל הנראה מנווטים באמצעות חישת השדה הגיאומגנטי הם עטלפים. כחלק ממחקר שבדק את התנהגות הניווט המגנטי של עטלפים שוחררו מספר פרטים באזור לא מוכר להם. על אחת מקבוצות העטלפים ששוחררו הופעל שדה מגנטי בכיוון ההפוך לפני שחרורם. הקבוצה עלייה הופעל השדה המגנטי המלאכותי הראתה כיווניות שונה בתעופתה מהקבוצות עליהן לא הופעל פולס מגנטי או הופעל פולס בכיוון מקביל. ניסוי זה מראה כי עטלפים ככל הנראה משתמשים בחישה מגנטית מתווכת מגנטיט. התנהגות זו מרמזת אף יותר מכך, היא מאפשרת להניח כי העטלפים משתמשים בפולאריות של השדה המגנטי (ובניווט מסוג "מעקב אחר מסלול"). במחקר נוסף הושוו באמצעות סקוויד מוחות של מיני עטלפים שונים (נודדים ושאינם נודדים). המחקר הראה שהמוחות של כל העטלפים הכילו מגנטיט. יתרה מכך, נמצא כי הייתה כמות משמעותית יותר של מגנטיט במוחם של מינים נודדים, ומכך ניתן אולי לשער כי למגנטיט תפקיד חשוב בניווט בנדידה.

יונקים נוספים מסוגלים לחוש את השדה הגיאומגנטי, ביניהם מיני מכרסמים, יונקים גדולים כמו בקר ואיילים, דולפינים ואף כלבים. על אף מגוון המחקרים שבחנו את האופן ההתנהגותי בו מגיבים יונקים שונים לשינויים בשדה המגנטי, מספר המחקרים שעסקו במנגנון הפיזיולוגי נותר מוגבל.

ראו גם 
מגנטוביולוגיה

קישורים חיצוניים

הערות שוליים 

ערכים שבהם תבנית בריטניקה אינה מתאימה
2020 03
מגנטיות
ביופיזיקה
ביולוגיה קוונטית