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

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

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

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.

Características gerais das bactérias magnéticas

Detecção passiva de campos magnéticos: magnetotaxia Cristais

Detecção passiva de campos magnéticos: magnetotaxia Magnetossoma

Detecção passiva de campos magnéticos: magnetotaxia Forma cristalina

Detecção passiva de campos magnéticos: magnetotaxia Forma cristalina

Detecção passiva de campos magnéticos: magnetotaxia Campo magnético no magnetossoma

Detecção passiva de campos magnéticos: magnetotaxia Procarionte multicelular

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.

Detecção passiva de campos magnéticos: magnetotaxia M. bavaricum

Detecção passiva de campos magnéticos: magnetotaxia

Detecção passiva de campos magnéticos: magnetotaxia 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.

Detecção passiva de campos magnéticos: magnetotaxia

Detecção passiva de campos magnéticos: magnetotaxia 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.

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.

Detecção passiva de campos magnéticos: magnetotaxia

Detecção passiva de campos magnéticos: magnetotaxia

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

Somente bacterias??

Somente bacterias??

Orientação espacial dos seres vivos Quais os mecanismos de orientação que os seres vivos usam para deslocarse? 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

Orientação espacial dos seres vivos 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. Sentidos usados: visão, olfato, audição Sentidos extras: deteção de campos elétricos, campos magnéticos, campo gravitacional

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

Orientação espacial dos seres vivos Posição do Sol no cêu

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.

Orientação espacial dos seres vivos 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.

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

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.

Orientação espacial dos seres vivos

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

Orientação espacial dos seres vivos 0, 2p, 4p, 6p, ......

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

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.

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

Orientação espacial dos seres vivos Um conjunto de ângulos {q1, q2, q3, q4,........qN} corresponde com os seguintes conjuntos: {cos(q1), cos(q2), cos(q3),........., cos(qN)} {sen(q1), sen(q2), sen(q3),........., sen(qN)}

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.

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

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

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

Orientação espacial dos seres vivos qm é o ângulo que queríamos calcular. Qual é o significado do parâmetro r ? r é uma medida da concentração dos ângulos em volta de qm. 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.

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

Orientação espacial dos seres vivos 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: q  2q  se o ângulo resultante for menor que 360o fica o valor de q, se for maior que 360o ao resultado é subtraído 360o. O ângulo médio calculado será duas vezes o ângulo do eixo procurado.

Orientação espacial dos seres vivos

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

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.

Uso do campo geomagnético como fonte de orientação espacial Os experimentos de orientação têm mostrado dois tipos de mecanismos: 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. 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.

Pássaros Pombos correio

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.

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.

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. 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.

Pássaros

Pássaros O caso dos passaros migratorios

Pássaros 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.

Pássaros

Pássaros

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.

Pássaros

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

Pássaros Nature, 3 october 2002

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

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.

Peixes O caso dos tubarões

Peixes

Peixes Tubarões

Peixes

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

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

Peixes Truta e Salmão Rainbow Steelhead

Peixes O caso dos peixes migratorios: truta e salmão

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

Mamiferos marinhos Baleias

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.

Outros animais marinhos O caso das tartarugas rescem nascidas

Filhotes de tartaruga são geralmente estudados

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

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.

Mamíferos Topeiras

Mamíferos

Mamiferos Siberian hamster

Mamiferos

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. 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!!

Insetos O caso das borboletas Monarca

Insetos As abelhas formam parte do grupo dos insetos sociais. 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.

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

Insetos Círculos Oitos

Insetos Na dança em 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

Insetos Na dança em oito: 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!!

Insetos

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 Erro sistemático no ângulo: culpa das flutuações no campo geomagnético

Insetos

Insetos

Insetos

Insetos Vespas:

Insetos Vespas:

Insetos Insetos: formigas

Insetos Pachycondyla marginata

Insetos

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

Insetos Insetos: cupins

Insetos Insetos: cupins

Insetos Insetos: cupin Neocapritermes opacus

Outros Salamandras N. viridescens

Outros N. viridescens

Outros Compasso magnético dependente de luz em Notophthalmus viridescens. Photoreceptores extraoculares localizados perto do orgão pineal. Para luz > 500 nm : mudança em 900 com respeito a individuos analisados com luz branca ou luz < 500 nm

Outros American Bullfrogs

Outros 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

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

Outros Lagosta

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

Outros

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.

Outros

Outros