地球を股にかけた「渡り」でも行き先を誤ることがない渡り鳥たちには、細胞レヴェルでナヴィゲーション・システムが備わっているようだ。科学者らは少しずつ、このシステムの解明に近づきつつある。
パズルの1ピースとして最近明らかになったのは、「スーパーオキシド」と呼ばれる活性酸素の一種だ。これが感光性タンパク質と結びつくことで、鳥の目の中にコンパスが生成され、地球の磁場が「見える」ようになるという。
このスーパーオキシド説を提唱したのは、イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校のKlaus Schulten教授(生物物理学)。同教授が主執筆者となった論文が、『Biophysical Journal』誌6月17日号に掲載された。
同教授は、鳥類の磁気受容(magnetoreception)研究のパイオニアだ。Schulten教授は早くも1978年に、鳥類の目の中ではある種の生化学的反応が起こっているという仮説を立てている。この反応により電子が生成され、その電子の回転が、磁場のわずかな傾きの影響を受けている可能性が高いと考えられた。
Schulten教授は2000年にこのモデルを修正し、鳥の目の中のコンパスには「クリプトクロム」という光受容性タンパク質が含まれているとした。
[クリプトクロムは青色光受容体。鳥の磁気コンパスは環境における光に影響を受け、光のうち、緑色から青色光下では正常な渡りを示すが、黄色や赤色光下では示さなくなることが示されている。またこの磁気コンパスの地球磁場に対する感度は、ラジカルペア・プロセスを通した光受容体の電子伝達過程に対する、この程度の弱磁場の影響と符合する。このようなことから、青色光受容体であるクリプトクロムが磁気受容分子の候補であると考えられている]
Schulten教授は、鳥の目の中のコンパス中にあるクリプトクロムは、ラジカルペアの状態にある電子の対を形成するとした。このモデルでは、光子が目の中のコンパスにぶつかったとき、この状態にある電子が、分子の中で別々の部位に散らばっていく。これらの電子は、地球の磁場の変化に従う形でそれぞれ回転し、これらの電子の動きのために、コンパスの化学的状態はそれぞれ異なったものとなる。この結果、鳥の視覚神経細胞を伝わる信号の流れが変わり、その結果、磁気の受容にも影響が現れるという。
その後の研究でも複数のグループが、このようなナヴィゲーション・システムの存在を裏付ける細胞レベルの証拠を発見している。分子実験によって、このシステムは地球の磁気に対して確かに敏感であると分かった。また、鳥の目のコンパスにおけるラジカル・ペアの持続時間をコンピューターモデルで算出した研究もある。
だが、クリプトクロムがコンパスの一部である可能性は高いものの、その詳細はいまだ判明していない。今年4月に、磁気受容を研究する別のチームが発表した論文では、クリプトクロムと酸素が反応する可能性を示している。Schulten教授の今回の論文は、鳥の目に含まれる酸素アニオン[陰イオン]であるスーパーオキシドの役割を指摘するものだが、これはこれまでの発見とも齟齬がない。
このコンパスでどのような知覚が生まれるかについては、今もって謎のままだ。一部の研究者は、鳥たちの視界の端には点が1つ見えていて、この点が鳥の向かう方向に従って旋回して見えるという可能性を考えている。また別の研究者は、色合いに影響の出る可能性を考えている。ともあれおそらく、渡り鳥たちは光のほうに向かって飛んでいることだろう。
[鳥がどのように磁場を感知するかについては、強い磁性を持つマグネタイト(磁鉄鉱)を体内(特にくちばし部分)に持つからという説もある。しかし鳥は、どちらが北かという感覚だけではなく、赤道からどのくらいの位置にあるかも感知でき、これは磁線の角度を感知できるからだとされ、クリプトクロムなどの生化学的反応で弱い磁場変異を感じ取る仕組みが研究されている。なお、ショウジョウバエがクリプトクロムで磁場を感知しているという研究はこちら]
参考論文: “Magnetoreception through Cryptochrome May Involve Superoxide.” By Ilia A. Solov’yov and Klaus Schulten. Biophysical Journal, Vol. 96 Issue 12, June 17, 2009.
“Quantum coherence and entanglement in the avian compass.” By Elisabeth Rieper, Erik Gauger, John J. L. Morton, Simon C. Benjamin, Vlatko Vedral. arXiv, June 19, 2009.
“Magnetic Compass of Birds Is Based on a Molecule with Optimal Directional Sensitivity.” Thorsten Ritz, Roswitha Wiltschko, P.J. Hore, Christopher T. Rodgers, Katrin Stapput, Peter Thalau, Christiane R. Timmel and Wolfgang Wiltschko. Biophysical Journal, Vol. 96 Issue 8, April 22, 2009.
TEXT BY BRANDON KEIM
PHOTO BY fdecomite/FLICKR
TRANSLATION BY CHINATSU ETO, HIROKO GOHARA/GALILEO