Magnetorecepce a včely

Experiment 2

V tomto rozhovoru Vám představíme pana Doc. RNDr. Martina Váchu, Ph.D.  z Masarykovy university v Brně. Výzkumného pracovníka zaměřeného na magnetorecepci a pedagoga vychovávajícího své nastávající kolegy. Pro účastníky brněnské únorové konference Zdraví a imunita včel, případně pro čtenáře článku Pavla Klvače  Zdraví a imunita včel na našem portále je osoba pana docenta známá. Pro zbytek čtenářů přikládáme stručné CV:

Doc. Martin Vácha PhD.Vystudoval přírodovědeckou fakultu Masarykovy university v Brně, kde následně pokračoval ve výzkumu i pedagogické práci. Specializuje se na fyziologii biologických senzorů, behaviorální neurobiologii a magnetorecepci. Prošel vědeckými stážemi v Evropě i v USA. V roce 2013 pracoval na Mendelově polární výzkumné stanici na Rossově ostrově. V současné době pracuje v Ústavu experimentální biologie Přírodovědecké fakulty Masarykovy university v Brně.

Magnetorecepce a včely

Jaký je Váš aktuální pohled na principy a fungování magnetorecepce u včel?

Včely vždy měly pro biology zvláštní a mimořádné postavení. Nejsou sice tak oblíbené mezi laboratorními vědci jako např. mušky octomilky, ale na rozdíl od mušek víme, jak dokonalé orientační a komunikační schopnosti mají. S muškami se lépe pracuje, ale u včel zase lépe chápeme, k čemu praktickému jim neurální a smyslové schopnosti v jejich bohatém životě slouží. Dnes už otázka nestojí, zda magnetorecepce u zvířat existuje, ale jak funguje a k čemu přesně. I když se badatelé v mnohém neshodnou a také vyplouvají na povrch metodické chyby, zejména starších experimentů, víme, že včely magnetickým smyslem vybaveny jsou. O moc více se toho ale o nich bohužel říci nedá. Co se principu týká, větší část badatelů se přiklání k magnetitové teorii, ale opravdu přesvědčivý důkaz pro to není. Já osobně se setkávám u jiných druhů hmyzu s fotochemickým receptorem, takže jsem vůči snadnému přijímání magnetitového mechanismu trochu kritický, ale rozhodně jej u včel nevylučuji.

Magnetit je chemicky oxid železnato-železitý Fe3O4. De-facto jde o železnou rudu s výraznými magnetickými vlastnostmi. Krystalky tohoto minerálu se přirozeně hromadí v některých buňkách v zadečku včel. Podle tzv. magnetitové hypotézy při změně magnetického pole dochází ke změně jejich pozice uvnitř buněk, čímž může být ovlivněno otevření či zavření iontových kanálů na buněčné membráně. Otevřením kanálů se mění elektrický potenciál na membráně, což může vést k nervové odpovědi. Signál je dále přenášen břišní (ventrální) nervovou páskou až do centrální nervové soustavy, kde je zpracován.

Jak je Vámi vnímána role magnetorecepce u hmyzu v komplexu schopností prostorové orientace?

Zatímco třeba u tažného severoamerického motýla Monarcha stěhovavého (Danaus plexippus)  se asi nemýlíme, když předpokládáme, že používá magnetický kompas podobně jako my, k určení azimutu migrační cesty. Ale u jiných druhů, jako je už zmiňovaná octomilka, nebo i včela, musíme přiznat, že důkazy o jejich magnetorecepci jsou často postaveny na umělých situacích, se kterými se v přirozeném životě nesetkají. Takže otázka, jaké místo má kompas mezi ostatními smysly, je pořád bez odpovědi. U některých druhů a v některém prostředí může být takový smysl zásadní, jinde jen záložní. Z toho, co víme, se zdá, že přichází ke slovu v případě konfliktu jiných směrových vodítek, například, když se poloha slunce a třeba reliéf obzoru ocitnou v rozporu – třeba když. skácíte strom vedle hnízda. Nebo se uplatní v mlze, či nad homogenní plochou, když není vidět ani slunce. Ale do mysli hmyzu při orientaci teprve začínáme nahlížet.

Aktuální pohled na roli kryptochromů

Kryptochromy jsou fotosensitivní flavoproteiny (typ bílkovin), citlivé na krátkovlnnou část viditelného spektra včetně UV-A. Při absorpci fotonu vytvářejí tzv. radikálové páry a spustí kaskádu biochemických reakcí, která ale probíhá jinak v magnetickém poli a jinak bez něj. Nepárové elektrony, které jsou pro radikály typické, totiž dávají i nemagnetickým molekulám magnetickou citlivost a podle hypotézy radikálových párů jsou to právě kryptochromy, které takto fungují jako receptory magnetického pole.

Lze tomu rozumět tak, že právě kryptochromy tvoří onen senzorický aparát, který umožňuje včele orientaci dle magnetického pole?

Vlastně jsme se toho už dotkli. U druhů hmyzu, jako je octomilka nebo šváb, víme, že kryptochromy jsou opravdu pro jejich magnetickou citlivost nezbytné. U včel máme málo dat, jednak jsou pro masové laboratorní testy nevhodné, jednak nemáme snadno geneticky modifikovatelné linie jako u výše zmíněných druhů. Co o nich vlastně víme? Badatelé například nejprve naučili včely rozeznávat podle slabé magnetické značky přítomnost potravy. Potom k nim na chvíli přiblížili silný magnet a včely pak značku nenašly. Autoři to berou jako důkaz konkurenční magnetitové teorie, kdy jsou to magnetické částečky ve tkáních, které reagují pohybem jako střelky kompasu. Kryptochrom totiž silným polem trvale neovlivníte, ale ty magnetické částečky ano. Jak jsem ale už říkal, jsem k závěrům pořád trochu skeptický, protože z toho silného magnetu se mohla včelám ještě chvíli „točit hlava“ a bez ohledu na typ receptoru prostě krmítko chvíli nenašly. Kdyby jim takto někdo kompas „přemagnetoval“ a ony pak létaly místo doprava doleva, pak je to neprůstřelný důkaz, že nejde o kryptochrom, ale o magnetit. Kdyby naopak včely mátlo slabé radiofrekvenční elektromagnetické pole, pak víme skoro jistě, že používají kryptochrom. Zatím takové výsledky nemáme.

Existují práce, které na jedné straně dokládají existenci kryptochromu ve včelím mozku a současně jiné práce dokládají, že se včely orientují dle magnetického pole i ve tmě. Znamená to že kromě kryptochromu existuje ještě další senzorický aparát?

Ano, tento rozpor je zřejmý a nejvíc je diskutován u ptáků, kteří táhnou v noci. Noc ale neznamená nulovou přítomnost světla, stejně jako podmínky v úle nejsou zcela bez fotonů. Vlastně vím jen o jediném experimentu se včelami, který proběhl skutečně za úplné tmy a to je na závěry málo. Ve hře je pořád hodně možností včetně té, že skutečně používají kompas na světle nezávislý – magnetitový. Anebo je to ještě jinak, tak, jak se uvažuje u ptáků: že mají magnetoreceptory dva, jeden magnetitový pro přesnou „magnetometrii“ a jeden chemický, kryptochromový, jako ukazatel směru.

Kdysi jsem četl, že kryptochromy jsou sensitivní primárně na „modrou“ část viditelného spektra. Oproti tomu v jedné ze svých prací dokládáte, že kryptochromová magnetorecepce funguje i při vlnových délkách 595 nm (oranžová) a 635 nm (červená). Znamená to změnu pohledu na funkci kryptochromů, případně mohou do hry vstupovat i jiné skupiny pigmentů?

Vlivy světla různých barev na magnetickou orientaci zvířat byly vlastně u základu celé myšlenky, že to nebudou jen částečky magnetitu, ale že máme co do činění s fotochemickými pochody. Při trvalém světle nad zhruba 510 nm, tedy žlutém, oranžovém a červeném, skutečně kryptochrom nemůže fungovat jako jediný příjemce světelné energie a uvažuje se o nějakém dalším pigmentu. I u ptáků, na které je pozornost upřena asi nejvíc, to zůstává zodpovězeno jen zčásti. Práce, kterou zmiňujete, byla z kategorie „provokujících“ a přiznám se, že je zatím tak těžko vysvětlitelná, že radši pokračujeme s méně problematickým krátkovlnným světlem. I tam je palčivých otázek víc než dost.

Je nějaká další známá role kryptochromů (cirkadiánní rytmy apod.) ve vztahu ke včelám?

Ano, je vidět, že jste se důkladně připravil :). Kryptochrom, který byl nalezen v mozku včel, patří do stejné skupiny jako savčí a tedy i lidský. Je v buňce součástí kaskády předávaných zpráv, které nakonec utvoří zpětnovazebnou smyčku. Kdy např. protein tlumí svoji vlastní výrobu, čímž začne jeho koncentrace oscilovat. Oscilace mohou mít periodu zhruba 24 hodin a bývají synchronizovány světlem. O takovém metronomu určujícímu rytmus života zvířat i člověka říkáme, že řídí cirkadiánní rytmus a kryptochrom je jeho důležitou součástí. Od správně „tikajících“ hodin se ale dnes odvozuje víc a víc funkcí a také jejich poruch. Proto i nečekaných spojitostí s kryptochromem, už ne jen kompasem, ale součástí hodin, je čím dál více.

Experiment 1
Jedna z experimentálních aparatur, používaných pro výzkum kryptochromu

Role magnetitu

Lze brát v úvahu roli magnetitu jako hmyzího senzoru pro orientaci v magnetickém poli?

Ano, jak jsme o tom již mluvili, ve hře jsou všechny varianty, včetně té nejzajímavější, že by včely mohly mít senzory pracující na obou principech, každý pro trochu jiný úkol. Určit jen směr severo-jižní osy je užitečné, to známe třeba z orientačního běhu. Ale přesně, na jeden stupeň, změřit sklon magnetické síly nebo její intenzitu, to dává schopnost určit i místo na Zemi. Pro tu první kompasovou schopnost by se hodil spíše kryptochrom, pro tu druhou, podobající se GPS systému, spíše magnetit. Ale to jsou všechno zatím jen pracovní hypotézy.

Existují další mechanismy?

Z doby, kdy jsem se účastnil potápěčských vrakových expedic vím, že např. žraloci mají v čenichu velmi citlivé místo – tzv. Lorenziniho ampule. Ty mají pravděpodobnou roli při detekci elektromagnetického pole jiných živočichů. Existují náznaky podobného mechanismu u hmyzu?

Paryby jsou skutečně známé tím, že jsou extrémně citlivé na slabá elektrická pole. Dokáží zachytit elektrické proudy vznikající činností srdce i ve dně zahrabané kořisti. Elektrické napětí ale také může vznikat pohybem v magnetickém poli Země, které se v ampulích jako v dynamu indukuje. Tento způsob magnetorecepce je ale vázán pouze na dobře vodivé mořské prostředí, takže u suchozemských tvorů se o něm neuvažuje. Když jsme u elektrického pole, to dokážou blanokřídlí vnímat také, ale to je vhodné pro jiné úkoly, než pro navigaci.

Antropogenní vlivy

Kromě přirozeného elektromagnetického pozadí Země roste intenzita různých elektromagnetických polí v souvislosti s lidskými aktivitami. V jedné z Vašich prací uvádíte vysokou citlivost kryptochromových senzorů – registrují změny elektromagnetického signálu až 1000x slabšího než je magnetické pole Země (v dalším textu MPZ) – ve spektrálním rozsahu 100 kHz – 10 MHz. Kde leží hranice kdy androgenní elektromagnetický signál začne ovlivňovat činnost magnetorecepčních orgánů včel?

Neodvážím se Vám zatím říct přesné číslo, zvlášť co se týká včel, protože tyto věci jsme zkoumali na švábech a zatím jediný pokus na včelách zatím nedal žádnou odchylku od normy. Výzkumy posledních let opravdu ukazují, že zvířata jsou na radiofrekvenční (v dalším textu jako RF) šumy nečekaně citlivá. Pozoruhodné je, že fotochemie a biofyzika se těžce smiřuje i s myšlenkou kryptochromové citlivosti na stabilní MPZ. A teď biologové tvrdí, že mají důkazy až 1000x slabších vlivů RF polí. To už vyžaduje změnu chápání i na straně fyziky, což je jistě extrémně zajímavé, ale také to klade extrémní nároky na přesnost a spolehlivost měření biologických dějů. Už také proto, že se tady dotýkáme velmi sledované oblasti vlivů radiových vysílačů na život nejen včel, ale i lidí.

Lze rozeznat hranici, kdy dochází k ovlivňování typu „modulace“ a kdy již dochází u hmyzu k úplnému rušení magnetorecepce?

Toto rozlišení se objevuje v diskuzích mezi magnetobiology a je to už trochu specialita. Jde v zásadě o to, že i kdyby se MPZ a RF jen sčítaly, i tak by to mohlo zvířata, zvyklá jen na MPZ, mást. Z hlediska hledání fyzikální podstaty je ale důležité vědět, jestli RF působí stejně jako MPZ a přičítá se k němu, nebo recepci prostě z jiné strany blokuje. Pro veřejnost by bylo jistě podstatnější, kdyby se ukázalo, že živé systémy jsou na umělá RF pole ještě citlivější než na přirozené MPZ.

Jaké frekvence vidíte jako rizikové? Lze takto na problém nahlížet?

Jsem biolog, ne fyzik, takže jen reprodukuji úvahy kolegů biofyziků resp. odborníků na reakce radikálových párů, kteří hovoří o možném vlivu polí cca 100 kHz až 100 MHz, tedy skoro v celém spektru rádiového vysílání. Ale máte pravdu v tom, že i biologická odpověď může být z fyzikální podstaty frekvenčně závislá, což výzkum samozřejmě komplikuje.

S rozvojem moderní techniky rostou i frekvence elektromagnetického pozadí. Jen namátkou uvedu klíčová pásma dedikovaná pro různé dálkové ovladače, mobilní operátory, WiFi, senzorové sítě typu LoRa apod (433 MHz, 868 MHz, 915 MHz, 1.8 GHz, 2.1 GHz, 2.4 GHz, 5 GHz). Jak je to s výzkumem interakce v oblasti zmiňovaných GHz frekvencí?

Technika používající GHz oblast je vyhrazena, pokud vím, především pro mobilní telefony. Je to už mimo alespoň zhruba vymezený terén diskuse o kompasu zvířat a potenciální úloha kryptochromů je mi tu nejasná. Je to ale výbušné téma, protože se o zdravotní dopady, celkem pochopitelně, zajímá nejširší veřejnost a pak co člověk, to radikální názor. Je potřeba mít na zřeteli, že aby výzkumné práce mohly skutečně přinést relevantní informace, měly by být mezi autory nejen biologové, ale i fyzici a i technici dobře vybavení vhodnými přístroji. Víc než v jiných oblastech zde platí, že by se neměli vyhýbat publikování negativních výsledků a závěr by měl být brán opravdu vážně až po prověření v jiné laboratoři. To se samozřejmě týká i mně.

Lze v nejbližší době očekávat nějaké zajímavé výstupy, objasňující tuto problematiku?

Jsem si jist, že dobře zpracovaných vědeckých zpráv bude přibývat, ale nechci moc prorokovat, jakým směrem se to vyvine. Zatím sám na svých datech vidím, že cirkadiánní rytmy hmyzu jsou RF poli do asi 100 MHz ovlivněny překvapivě citlivě. To samozřejmě může mít dopad na mnoho systémů v těle. Může se to ukázat jako skutečný problém, když uvážíme, jaký boom zažívají bezdrátové technologie, nebo to může být naopak nadějná cesta k praktickému využití v medicíně.

Řada včelařů se shlédla v používání různých hmotnostních, tepelných a jiných senzorů instalovaných přímo v úlech (přiznávám, že i já k nim patřím). Ty vzdáleně komunikují (obvykle) ve frekvenčních pásmech stovek MHz až jednotek GHz (WiFi, XBee, mobilní operátoři) s výkonem v řádech desítek mW (ve špičkách i stovek mW). Lze říci, že vzdálenost zdroje signálu a včelstva je řádově desítky centimetrů. Jak vnímáte optikou svého výzkumu možnost rušení včelstva takovým typem signálu?

Skutečně ode mne prosím přijměte jen osobní dojem. Svou dospívající dceru jsem požádal, aby nespala se zapnutým mobilem pod polštářem, a kdybych měl včely, požádal bych je o totéž. Kolik centimetrů a jaký výkon, už je otázka, kterou Vám nedokážu zodpovědět. Mobilní vlny určitě nejsou zabiják, ale jejich účinky zřejmě nejsou jen ty tepelné, na kterých jsou postaveny hygienické normy. Dopady, pokud jsou, budou malé, ale i malé vlivy, jsou-li trvalé, mohou kvalitu života ovlivnit. Věřím ale také kolegům dobře znalým včelařského světa, že viníka za případný zánik včelstva není třeba hned hledat mezi neviditelnými silami, ale je třeba nejdřív zkontrolovat známé zásady chovu.

Výstupy Vaši práce Radiofrekvenční šum a chov matek včely medonosné mohou být zajímavé pro řadu našich čtenářů. K jakým závěrům se Vám v této souvislosti podařilo dospět?

Šlo o terénní experiment, který vycházel z laboratorních testů, kdy magnetorecepci hmyzu rušilo i slabé RF pole do cca 10MHz. To je v dobrém souladu s kryptochromovým mechanismem recepce. Testovali jsme pak hypotézu, že pokud včelám kolem jejich hnízda RF pole ruší kompas, místo vyhodnotí jako nevhodné a úlek častěji opustí. Po dvě sezony jsme exponovali oplodňáčky RF šumem a ačkoliv byla úspěšnost odchovu mladých matek mezi kontrolními úlky vyšší, celkové výsledky byly pod hranicí významnosti. Praktický závěr by mohl být, že se není třeba obávat tohoto typu RF smogu. Můžete namítnout, že do 10MHz toho vysílání kolem nás zas až tolik není. Naprosto souhlasím, volba cílila na mechanismus, spíš než bychom chtěli testovat dominantní „zamoření“ RF smogem. Takže do debaty na téma včely a mobilní operátoři tato práce vlastně nemá moc co říci.

Experiment 2
Uspořádání experimentu pro sledování vlivu RF pole na včelí matky

Vaše další cíle a témata výzkumu?

Jaká témata výzkumu v oblasti magnetorecepce vnímáte jako aktuální?

V prostředí základního výzkumu, kde se asi nejvíce pohybuji, je nejžhavější otázkou právě princip umožňující, že v „teplém, vlhkém a hlučném“ prostředí živočišných buněk se něco změní, když se objeví tak slabá energie, jako je MGP nebo dokonce RF. O věc jeví zájem i trochu tajemná disciplína zvaná kvantová biologie, kterou z dálky obdivuji, ale jako vystudovaný biolog jí nerozumím. Tak jako kvantová a relativistická fyzika už před sto lety postavila na hlavu tehdejší zdravý rozum, a dokazuje se dodnes, že měla pravdu, jde zde v zásadě o vědecké vysvětlení těch biologických dějů, pro které zatím nemáme „normální“ vysvětlení. Z praktičtějšího pohledu se mi jeví jako velmi aktuální fakt, že chod biologických hodin se dá ovlivnit RF polem.

Jaký „výzkumnický sen“ by jste si rád splnil?

Zatím se mi mé sny v podstatě plní, až se někdy sám divím. Dělám práci, která je pokračováním mých dětských lásek: elektřiny a přírody. Tím, že má cíl odkrývat fungování světa na pomezí živého i neživého mne opravdu zajímá a baví. Kdybych k tomu všemu ještě zjistil, že je to dobré pro nějakou užitečnou aplikaci, už bych si asi neměl víc co přát.

Daří se v České republice opatřovat prostředky na tak vysoce specializovaný výzkum jaký provádíte na Vašem pracovišti?

Věda je hodně kompetitivní prostředí, a protože se platí z daní, bojujete v rostoucím zástupu motivovaných lidí o omezené zdroje. A v boji jsou šrámy nebo nespravedlnosti. Já si ale nemůžu stěžovat. Začínat z nuly podle vlastní volby, tak, jak se to přihodilo mně po revoluci, by už dnes bylo těžko možné. Mám po letech provizorií výhodu nového brněnského kampusu a navíc to štěstí, že jsem i pedagog a v dobách grantové nepřízně nemusím hledat nové téma, ale základní provoz mi zaplatí učení a solidarita a důvěra kolegů. V tom jsou včely dobrým vzorem :).

Děkujeme za rozhovor a za Včelaři sobě Vám přejeme mnoho dalších vědeckých a pedagogických úspěchů.

Autorská práva k použitým fotografiím jsou vlastnictvím Doc. RNDr. Martina Váchy, Ph.D. a byla v tomto článku použita s laskavým souhlasem autora fotografií.

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *