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Magnetorecepção: evidencias de comportamento Dr. Daniel Acosta Avalos Magnétismo Biológico Escola de Verão – CBPF 2006.

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1 Magnetorecepção: evidencias de comportamento Dr. Daniel Acosta Avalos Magnétismo Biológico Escola de Verão – CBPF 2006

2 Detecção passiva de campos magnéticos: magnetotaxia Em 1970, Richard Blakemore descobre por acidente um tipo de bactéria que responde ao campo geomagnético. Em 1970, Richard Blakemore descobre por acidente um tipo de bactéria que responde ao campo geomagnético.

3 Detecção passiva de campos magnéticos: magnetotaxia No seu interior: cadeias de partículas magnéticas,envolvidas por uma membrana. Estas bactérias se movimentam através de flagelos. No seu interior: cadeias de partículas magnéticas,envolvidas por uma membrana. Estas bactérias se movimentam através de flagelos. Cepa marinha MV-4Cepa marinha MC-1

4 Detecção passiva de campos magnéticos: magnetotaxia Este tipo de bacteria é selvagem, ou seja, não existem culturas de estas cepas. Até hoje, somente existem no mundo algumas cepas em cultura. O problema: um meio de cultura efetivo.

5 Características gerais das bactérias magnéticas

6 Detecção passiva de campos magnéticos: magnetotaxia Cristais Cristais

7 Detecção passiva de campos magnéticos: magnetotaxia Magnetossoma Magnetossoma

8 Detecção passiva de campos magnéticos: magnetotaxia Forma cristalina Forma cristalina

9 Detecção passiva de campos magnéticos: magnetotaxia Forma cristalina Forma cristalina

10 Detecção passiva de campos magnéticos: magnetotaxia Campo magnético no magnetossoma Campo magnético no magnetossoma

11 Detecção passiva de campos magnéticos: magnetotaxia Procarionte multicelular Procarionte multicelular

12 Detecção passiva de campos magnéticos: magnetotaxia Microscopia eletrônica de varredura Microscopia Confocal Microscopia Eletrônica de Transmissão Imagens realizadas pelo grupo dos Profs. Marcos Farina e Ulisses Lins.

13 Detecção passiva de campos magnéticos: magnetotaxia M. bavaricum M. bavaricum

14 Detecção passiva de campos magnéticos: magnetotaxia

15 Magnetotaxia: para que? Foram identificados dois tipos de bacterias, segundo a orientação do momento magnético da cadeia com respeito aos flagelos: as tipos Norte e as tipo Sul.

16 Detecção passiva de campos magnéticos: magnetotaxia

17 Podem ser coletados em lagoas e riachos, como em Iguaba, que fica na Região dos Lagos, Estado do Rio de Janeiro. Podem ser coletados em lagoas e riachos, como em Iguaba, que fica na Região dos Lagos, Estado do Rio de Janeiro. Para isto, a equipe entra na água até a profundidade de aproximadamente 1m, são mergulhados recipientes até o fundo da lagoa, a fim de coletar amostras tanto de água quanto de areia. Para isto, a equipe entra na água até a profundidade de aproximadamente 1m, são mergulhados recipientes até o fundo da lagoa, a fim de coletar amostras tanto de água quanto de areia.

18 Detecção passiva de campos magnéticos: magnetotaxia As amostras são colocadas em diferentes aquários de vidro, separadas, preferencialmente, de acordo com os pontos coletados. As bactérias são coletadas após o acréscimo de um pouco de areia e de água num concentrador magnético. Após cerca de 20 minutos, utilizando um conta-gotas, uma pequena quantidade de água da ponta do concentrador é coletada para ser analisada no microscópio.

19 Detecção passiva de campos magnéticos: magnetotaxia

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21 Mais bacterias..... Instituto Oceanografico de Woods Hole Instituto Oceanografico de Woods Hole

22 Somente bacterias??

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24 Orientação espacial dos seres vivos Quais os mecanismos de orientação que os seres vivos usam para deslocarse? Quais os mecanismos de orientação que os seres vivos usam para deslocarse? Etologia = estudo do comportamento animal Etologia = estudo do comportamento animal Atualmente, a etologia é uma área de estudo multidisciplinar, porque envolve conhecimentos sobre a biologia animal e a física e química dos estimulos ambientais que modificam o seu comportamento Atualmente, a etologia é uma área de estudo multidisciplinar, porque envolve conhecimentos sobre a biologia animal e a física e química dos estimulos ambientais que modificam o seu comportamento

25 Orientação espacial dos seres vivos Dois tipos de comportamento animal: migração e homing ou retorno ao ninho. Dois tipos de comportamento animal: migração e homing ou retorno ao ninho. Em qualquer dos dois, mecanismos de orientação complexos são usados para poder atingir o ponto final na jornada de viagem. Em qualquer dos dois, mecanismos de orientação complexos são usados para poder atingir o ponto final na jornada de viagem. Sentidos usados: visão, olfato, audição Sentidos usados: visão, olfato, audição Sentidos extras: deteção de campos elétricos, campos magnéticos, campo gravitacional Sentidos extras: deteção de campos elétricos, campos magnéticos, campo gravitacional

26 Orientação espacial dos seres vivos Principais referências de orientação: Posição do Sol no cêu Posição do Sol no cêu Polarização da luz solar no cêu Polarização da luz solar no cêu Direção do campo geomagnético Direção do campo geomagnético

27 Orientação espacial dos seres vivos Posição do Sol no cêu

28 Orientação espacial dos seres vivos Polarização da luz: propriedade vetorial do campo eletromagnético. Ela muda quando a luz atravessa diferentes meios inomogeneos, como é o caso da atmósfera terrestre.

29 Orientação espacial dos seres vivos Varias espécies de animais tem um comportamento migratório. Varias espécies de animais tem um comportamento migratório. Um animal, na tarefa de procurar alimento ou de volta para casa sempre tem que ter uma forma de orientar-se no ambiente para saber qual caminho deve seguir na volta. Um animal, na tarefa de procurar alimento ou de volta para casa sempre tem que ter uma forma de orientar-se no ambiente para saber qual caminho deve seguir na volta.

30 Orientação espacial dos seres vivos Cataglyphis fortis: formiga que mora no deserto. Exemplo de volta ao ninho de uma formiga escoteira.

31 Orientação espacial dos seres vivos Para fazer um estudo de orientação, vários indivíduos de uma espécie animal são pesquisados, medindo-se o angulo que eles tomam durante o inicio da jornada, todo com respeito a um eixo de referencia que geralmente é o eixo Norte-Sul. Para fazer um estudo de orientação, vários indivíduos de uma espécie animal são pesquisados, medindo-se o angulo que eles tomam durante o inicio da jornada, todo com respeito a um eixo de referencia que geralmente é o eixo Norte-Sul.

32 Orientação espacial dos seres vivos

33 A estatística utilizada para analisar ângulos é conhecida como Estatística Circular. A estatística utilizada para analisar ângulos é conhecida como Estatística Circular. Porque usar uma estatística diferente?? Porque usar uma estatística diferente?? Porque um ângulo corresponde com uma variável intervalar, cuja característica é que não tem um zero bem definido. Porque um ângulo corresponde com uma variável intervalar, cuja característica é que não tem um zero bem definido.

34 Orientação espacial dos seres vivos 0, 2

35 Orientação espacial dos seres vivos Por exemplo: sejam os ângulos 10 o, 15 o, 350 o e 345 o. Se calcula-mos o valor médio com a estatística linear teremos como ângulo médio 180 o !!! Angulo médio!!!

36 Orientação espacial dos seres vivos Para resolver este problema, observamos que cada ângulo pode representar a posição de um vetor sobre um circulo unitário. Então, como cada vetor tem duas projeções sobre os eixos coordenados no plano, terá que ser feita a estatística com os valores em cada eixo, onde existe um zero real. Para resolver este problema, observamos que cada ângulo pode representar a posição de um vetor sobre um circulo unitário. Então, como cada vetor tem duas projeções sobre os eixos coordenados no plano, terá que ser feita a estatística com os valores em cada eixo, onde existe um zero real.

37 Orientação espacial dos seres vivos x y x = cos( ) y = sen( )

38 Orientação espacial dos seres vivos Um conjunto de ângulos Um conjunto de ângulos { 1, 2, 3, 4, N } { 1, 2, 3, 4, N } corresponde com os seguintes conjuntos: {cos( 1 ), cos( 2 ), cos( 3 ), , cos( N )} {sen( 1 ), sen( 2 ), sen( 3 ), , sen( N )}

39 Orientação espacial dos seres vivos Para calcular o ângulo médio do anterior conjunto de ângulos, precisamos calcular as coordenadas x e y correspondentes com este ângulo médio. Para calcular o ângulo médio do anterior conjunto de ângulos, precisamos calcular as coordenadas x e y correspondentes com este ângulo médio.

40 Orientação espacial dos seres vivos As coordenadas x e y são: As coordenadas x e y são:

41 Orientação espacial dos seres vivos Com estas coordenadas calculamos o comprimento do vetor médio, representado por r : Com estas coordenadas calculamos o comprimento do vetor médio, representado por r :

42 Orientação espacial dos seres vivos O ângulo médio m é calculado com a seguinte relação: O ângulo médio m é calculado com a seguinte relação:

43 Orientação espacial dos seres vivos m é o ângulo que queríamos calcular. Qual é o significado do parâmetro r ? m é o ângulo que queríamos calcular. Qual é o significado do parâmetro r ? r é uma medida da concentração dos ângulos em volta de m. Desta forma, podemos pensar em 1 – r como uma medida de dispersão dos ângulos. Um valor r = 0 significa que os dados estão uniformemente distribuídos em volta da circunferência unitária. Valores próximos de 1 significam uma maior concentração em volta do ângulo médio. r é uma medida da concentração dos ângulos em volta de m. Desta forma, podemos pensar em 1 – r como uma medida de dispersão dos ângulos. Um valor r = 0 significa que os dados estão uniformemente distribuídos em volta da circunferência unitária. Valores próximos de 1 significam uma maior concentração em volta do ângulo médio.

44 Orientação espacial dos seres vivos Definimos a variância angular como: Definimos a variância angular como: E o desvio padrão circular, em graus, como:

45 Orientação espacial dos seres vivos O que acontece se a orientação não for numa direção fixa, mas ao longo de um eixo (orientação axial)? O que acontece se a orientação não for numa direção fixa, mas ao longo de um eixo (orientação axial)? Neste caso a analise é feita com duas vezes cada ângulo: Neste caso a analise é feita com duas vezes cada ângulo: q 2q se o ângulo resultante for menor que 360 o fica o valor de q, se for maior que 360 o ao resultado é subtraído 360 o. O ângulo médio calculado será duas vezes o ângulo do eixo procurado. q 2q se o ângulo resultante for menor que 360 o fica o valor de q, se for maior que 360 o ao resultado é subtraído 360 o. O ângulo médio calculado será duas vezes o ângulo do eixo procurado.

46 Orientação espacial dos seres vivos

47 Como sabemos que o ângulo medio calculado tem significância estatística? Como sabemos que o ângulo medio calculado tem significância estatística? Para isto é feito o teste de Rayleigh: Para isto é feito o teste de Rayleigh: É testada a hipotese nula de uma distribuição uniforme entre 0 e 2 com r = 0.

48 Uso do campo geomagnético como fonte de orientação espacial Como já foi dito ao discutirmos o campo geomagnético, as linhas do campo com igual intensidade, igual declinação, ou igual inclinação, servem como referencia de orientação em longas distancias. Porem, também podem servir como fonte de orientação local. Como já foi dito ao discutirmos o campo geomagnético, as linhas do campo com igual intensidade, igual declinação, ou igual inclinação, servem como referencia de orientação em longas distancias. Porem, também podem servir como fonte de orientação local.

49 Uso do campo geomagnético como fonte de orientação espacial Os experimentos de orientação têm mostrado dois tipos de mecanismos: Os experimentos de orientação têm mostrado dois tipos de mecanismos: 1. O compasso magnético de polaridade: funciona como uma bússola, permitindo detectar a componente horizontal do campo geomagnético que aponta no sentido do Norte geográfico porem descompensado pelo ângulo de declinação. 2. O compasso magnético de inclinação: neste casso o que é detectado é a inclinação geomagnética, ou seja, o ângulo entre o vetor do campo geomagnético e a vertical. O ângulo de H com a horizontal: o menor sempre aponta no sentido do equador geográfico e o maior sempre aponto no sentido do pólo.

50 Pássaros Pombos correio

51 Pássaros Em 1976 é feito um experimento Medindo-se o ritmo cardíaco na presença de estímulos magnéticos e comparados com o ritmo cardíaco na presença de estímulos luminosos. O resultado foi nulo, concluindo-se que a detecção de campos magnéticos em aves devia ser mais complicada do que uma detecção por intensidades.

52 Pássaros Correlação entre a precisão da orientação de pombos e o distúrbio magnético local provocado por anomalias no sitio do pombal localizado em Lincoln, Massachusetts, USA. Correlação entre a precisão da orientação de pombos e o distúrbio magnético local provocado por anomalias no sitio do pombal localizado em Lincoln, Massachusetts, USA.

53 Pássaros Erros de orientação cometidos por pombos liberados em diferentes sítios, longe do pombal situado no centro da figura. O pombal se encontrava em Ithaca, NY, USA. Erros de orientação cometidos por pombos liberados em diferentes sítios, longe do pombal situado no centro da figura. O pombal se encontrava em Ithaca, NY, USA. Os ângulos em preto significam erros no sentido horário e os brancos no anti-horário. Os ângulos em preto significam erros no sentido horário e os brancos no anti-horário. As linhas vermelhas representam linhas de igual intensidade geomagnética, e a linha azul representa o gradiente do campo geomagnético. As linhas vermelhas representam linhas de igual intensidade geomagnética, e a linha azul representa o gradiente do campo geomagnético.

54 Pássaros

55 Pássaros O caso dos passaros migratorios O caso dos passaros migratorios

56 Pássaros Uso de um compasso de inclinação: Uso de um compasso de inclinação: Não distingue Norte ou Sul. Ele distingue o sentido do Equador e o sentido do Pólo. Num pássaro migratório isso é importante para saber para onde se encontram as regiões mais quentes ou frias numa mudança de estação.

57 Pássaros

58 Pássaros

59 Pássaros Vários experimentos de campo com pássaros migratórios têm mostrado que o compasso de inclinação depende da detecção de luz de diferentes comprimentos de onda. Vários experimentos de campo com pássaros migratórios têm mostrado que o compasso de inclinação depende da detecção de luz de diferentes comprimentos de onda.

60 Pássaros

61 Listagem das espécies de pássaros migratórios que têm sido estudadas mostrando a capacidade de usar a informação do campo geomagnético durante o processo migratório.

62 Pássaros Nature, 3 october 2002

63 Pássaros A: binocular, B: olho esquerdo, C: olho direito D: olho direito com a inclinação do campo magnético para cima

64 Pássaros Albatroses são capazes de voar entre dois pontos distantes a 1300 km com imãs fixos na cabeça. Isto implica que o mecanismo de deteção magnético não deve estar relacionado com campos magnetostaticos ou que ele não esta na cabeça. Albatroses são capazes de voar entre dois pontos distantes a 1300 km com imãs fixos na cabeça. Isto implica que o mecanismo de deteção magnético não deve estar relacionado com campos magnetostaticos ou que ele não esta na cabeça.

65 Peixes O caso dos tubarões O caso dos tubarões

66 Peixes

67 Peixes Tubarões Tubarões

68 Peixes

69 Peixes No solo do oceano a pedra forma camadas diferentes empilhadas segundo a epoca que foram criadas, e tambem determinando regiões delinhadas por falhas magnéticas No solo do oceano a pedra forma camadas diferentes empilhadas segundo a epoca que foram criadas, e tambem determinando regiões delinhadas por falhas magnéticas

70 Peixes No oceano Pacifico as placas estão orientadas no sentido N-S e as falhas magnéticas determinam um sistema coordenado que os organismos marinhos poderiam usar No oceano Pacifico as placas estão orientadas no sentido N-S e as falhas magnéticas determinam um sistema coordenado que os organismos marinhos poderiam usar

71 Peixes Truta e Salmão Truta e Salmão Rainbow Steelhead

72 Peixes O caso dos peixes migratorios: truta e salmão O caso dos peixes migratorios: truta e salmão

73 Peixes Experimentos com redes de pesca com imãs fixos neles mostraram que o número de peixes capturados aumenta naquelas redes com imãs.

74 Mamiferos marinhos Baleias Baleias

75 Mamiferos marinhos Tem sido demonstrado que as balheias ficam encalhadas em regiões onde existem anomalias magnéticas fortes, fazendo com que elas confundam as pistas de orientação. Tem sido demonstrado que as balheias ficam encalhadas em regiões onde existem anomalias magnéticas fortes, fazendo com que elas confundam as pistas de orientação.

76 Outros animais marinhos O caso das tartarugas rescem nascidas O caso das tartarugas rescem nascidas

77 Filhotes de tartaruga são geralmente estudados

78 Tartarugas: podem detectar a inclinação e a intensidade do campo geomagnético

79 Os resultados observados em filhotes de tartaruga mostram que eles já nascem com um conhecimento herdado sobre a orientação espacial correlacionada com a direção local do campo geomagnetico. Os resultados observados em filhotes de tartaruga mostram que eles já nascem com um conhecimento herdado sobre a orientação espacial correlacionada com a direção local do campo geomagnetico.

80 Mamíferos Topeiras Topeiras

81 Mamíferos

82 Mamiferos Siberian hamster Siberian hamster

83 Mamiferos

84 Insetos Todo ano, durante o outono, milhões de borboletas Monarca migram do Norte da América até as montanhas no centro do México, e na primavera elas voltam para o Canada. Todo ano, durante o outono, milhões de borboletas Monarca migram do Norte da América até as montanhas no centro do México, e na primavera elas voltam para o Canada. O que é surprendente neste comportamento é que as que iniciam a viagem no outono correspondem com a 3a ou 5a geração das que voltaram na primavera pasada!! O que é surprendente neste comportamento é que as que iniciam a viagem no outono correspondem com a 3a ou 5a geração das que voltaram na primavera pasada!!

85 Insetos O caso das borboletas Monarca O caso das borboletas Monarca

86 Insetos As abelhas formam parte do grupo dos insetos sociais. As abelhas formam parte do grupo dos insetos sociais. As tarefas são divididas entre grupos de insetos chamados de castas As tarefas são divididas entre grupos de insetos chamados de castas A casta dos escuterios esta encarregado de procurar alimento e informar a posição deste para os demais membros da colmeia. A casta dos escuterios esta encarregado de procurar alimento e informar a posição deste para os demais membros da colmeia.

87 Insetos Porem, como as escoteiras informam a posição do alimento encontrado??? Porem, como as escoteiras informam a posição do alimento encontrado??? Elas comunicam através esta informação através de danças!! Elas comunicam através esta informação através de danças!! Para distâncias menores de 50 metros: dança circular Para distâncias menores de 50 metros: dança circular Para distâncias maiores de 50 metros: dança em oito Para distâncias maiores de 50 metros: dança em oito

88 Insetos Círculos Oitos

89 Insetos Na dança em círculos: Na dança em círculos: a cada 15 segundos de 8 a 10 círculos a cada 15 segundos de 8 a 10 círculos Isto indica para as outras operarias que existe alimento até uma distância de 50 metros fora da colmeia Isto indica para as outras operarias que existe alimento até uma distância de 50 metros fora da colmeia

90 Insetos Na dança em oito: Na dança em oito: é transmitida a informação de quantidade de alimento e orientação, ou seja, em qual direção procurar o alimento é transmitida a informação de quantidade de alimento e orientação, ou seja, em qual direção procurar o alimento a inclinação do oito com respeito à vertical esta relacionada com o ângulo entre a linha entre a colmeia e o alimento e a linha entre a colmeira e o Sol!! a inclinação do oito com respeito à vertical esta relacionada com o ângulo entre a linha entre a colmeia e o alimento e a linha entre a colmeira e o Sol!!

91 Insetos

92 Insetos Como as abelhas medem ângulos? Da mesma que as formigas!! Através da polarização da luz no céu ou através de informação do campo geomagnético Como as abelhas medem ângulos? Da mesma que as formigas!! Através da polarização da luz no céu ou através de informação do campo geomagnético Erro sistemático no ângulo: culpa das flutuações no campo geomagnético Erro sistemático no ângulo: culpa das flutuações no campo geomagnético

93 Insetos

94 Insetos

95 Insetos

96 Insetos Vespas:

97 Insetos

98 Insetos Insetos: formigas Insetos: formigas

99 Insetos Pachycondyla marginata

100 Insetos

101 Insetos Dentro das especies de formigas já estudadas estão: Dentro das especies de formigas já estudadas estão: - Pachycondyla marginata - Formica rufa - Solenopsis invicta - Acromyrmex octospinosus - Oecophylla smaragdina - Atta colombica - Formica pratensis

102 Insetos Insetos: cupins Insetos: cupins

103 Insetos

104 Insetos Insetos: cupin Neocapritermes opacus Insetos: cupin Neocapritermes opacus

105 Outros Salamandras Salamandras N. viridescens

106 Outros

107 Outros Compasso magnético dependente de luz em Notophthalmus viridescens. Compasso magnético dependente de luz em Notophthalmus viridescens. Photoreceptores extraoculares localizados perto do orgão pineal. Photoreceptores extraoculares localizados perto do orgão pineal. Para luz > 500 nm : mudança em 90 0 com respeito a individuos analisados com luz branca ou luz 500 nm : mudança em 90 0 com respeito a individuos analisados com luz branca ou luz < 500 nm

108 Outros American Bullfrogs American Bullfrogs

109 Outros American Bullfrog American Bullfrog Rana catesbeiana Orientação bimodal: A: experimento controle com o campo magnético apontando na direção NS B: experimento com o campo magnético apontando na direção LO

110 Outros American Bullfrog American Bullfrog Rana catesbeiana Circulos brancas: luz branca Circulos cinzas: luz > 500 nm Comportamento semelhante ao da salamandra!!!!!

111 Outros Lagosta

112 Outros A lagosta Panulirus argus mora no Atlantico oeste, faz migrações anuais e é capaz de fazer incursões longas fora do local onde vive.

113 Outros

114 Outros Os experimentos com lagosta mostraram que elas são capazes de detectar a direção da componente horizontal do campo geomagnético e são insensiveis à direção da componente vertical, o que determina um sentido de compasso de polaridade e não de inclinação. Os experimentos com lagosta mostraram que elas são capazes de detectar a direção da componente horizontal do campo geomagnético e são insensiveis à direção da componente vertical, o que determina um sentido de compasso de polaridade e não de inclinação.

115 Outros

116 Outros


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