Επιστήμονες προσπαθούν να αποκωδικοποιήσουν τη μετανάστευση της πεταλούδας μονάρχη- μεταξύ άλλων κάνοντας χειρουργικές επεμβάσεις εγκεφάλου- καθώς ελπίζουν ότι η απάντηση στα ερωτήματά τους μπορεί να οδηγήσει στη δημιουργία συστημάτων που δεν βασίζονται στο GPS.
Στο Τέξας, ο δρ. Ρόμπιν Γκρομπ, νευροβιολόγος του νορβηγικού πανεπιστημίου Επιστήμης και Τεχνολογίας, πραγματοποιεί ανοιχτές χειρουργικές επεμβάσεις εγκεφάλου σε πεταλούδες μονάρχες. Εισάγει τέσσερα ηλεκτρόδια, το κάθε ένα πιο λεπτό από μια ανθρώπινη τρίχα, «σφραγίζει» προσεκτικά με σιλικόνη το κεφάλι της πεταλούδας, ώστε να μην μετακινούνται τα ηλεκτρόδια και τη μεταφέρει σε έναν προσομοιωτή πτήσης.
Μέσα σε αυτόν τον ανοιχτό μεταλλικό κύλινδρο, η πεταλούδα είναι δεμένη, αλλά μπορεί να πετάξει μέσα σε ένα προσεκτικά ελεγχόμενο μαγνητικό πεδίο. Ο στόχος του ο δρ. Γκρομπ είναι να καταγράψει την ακριβή στιγμή που ο εγκέφαλος της πεταλούδας μονάρχη ανιχνεύει το μαγνητικό πεδίο το οποίο καθοδηγεί τους εκπροσώπους του είδους της ενώ διασχίζουν μία ήπειρο.
Κάθε χρόνο, οι μονάρχες ταξιδεύουν χιλιάδες χιλιόμετρα από τον Καναδά έως το Μεξικό. Για την πλοήγησή τους, χρησιμοποιούν ένα σύνολο εσωτερικών πυξίδων. Αλλά η ακριβής φυσιολογία παραμένει μυστήριο για τους επιστήμονες εδώ και δεκαετίες. Πώς ένα έντομο με εγκέφαλο μικρότερο από κόκκο ρυζιού βρίσκει τα ίδια δάση κάθε χρόνο;
Τα ζώα και ο άνθρωπος βασίζονται σε εσωτερικές και εξωτερικές ενδείξεις για την πλοήγηση, συμπεριλαμβανομένης της θέσης του ήλιου και των αστεριών, την πόλωση του φωτός και τη μνήμη για γεωγραφικά ορόσημα. Από όλα αυτά, η ικανότητα του εγκεφάλου να ανιχνεύει το μαγνητικό πεδίο της Γης σαν πυξίδα, παραμένει η πιο ασαφής.
«Καταλαβαίνουμε πώς μπορούμε να μυρίσουμε, να δούμε, να ακούσουμε, αλλά δεν καταλαβαίνουμε πώς τα ζώα μπορούν να αισθανθούν το μαγνητικό πεδίο. Είναι η τελευταία αίσθηση που δεν είναι πραγματικά κατανοητή», λέει ο Ντέβιντ Ντρέγιερ, νευροεπιστήμονας στο πανεπιστήμιο Λουντ της Σουηδίας.
Χάρτες και πυξίδες
Υπάρχουν δύο βασικές αισθήσεις που μπορεί να χρησιμοποιήσει ένα ζώο για πλοήγηση: του χάρτη (η ικανότητα να εντοπίζει την τρέχουσα θέση του σε σύγκριση με ένα συγκεκριμένο μέρος) και της πυξίδας (να χρησιμοποιεί εξωτερικά σήματα προκειμένου να καθοδηγείται προς μία συγκεκριμένη κατεύθυνση).
Οι θαλάσσιες χελώνες καρέτα- καρέτα διαθέτουν και τις δύο αισθήσεις. Μπορούν να χρησιμοποιήσουν το μαγνητικό πεδίο της Γης ως πυξίδα για να διατηρήσουν μια κατεύθυνση. Αλλά έχουν και τη δυνατότητα να το χρησιμοποιήσουν ως ένα είδος χάρτη, προκειμένου να προσδιορίσουν πού βρίσκονται. Αυτό σημαίνει ότι μπορούν να κατευθυνθούν προς το σπίτι, ακόμα και από μέρη στα οποία δεν έχουν ξαναβρεθεί.
Τα αποδημητικά έντομα διαθέτουν την πυξίδα. Μπορούν να μεταναστεύσουν προς μία συγκεκριμένη κατεύθυνση, αλλά δεν υπάρχουν αδιάσειστα στοιχεία πως γνωρίζουν πού βρίσκονται σε σχέση με το σημείο από όπου ξεκίνησαν ή εκείνο που είναι ο προορισμός τους.
Όμως, τα έντομα προσφέρουν ένα πλεονέκτημα έναντι των χελωνών και των πτηνών. Ο εγκέφαλος και το νευρικό σύστημά τους είναι πιο μικρά και λιγότερο σύνθετα, οπότε είναι σχετικά πιο εύκολο να αποκρυπτογραφηθεί το νευρωνικό δίκτυό τους.
«Μπορεί να είναι πολύ πιο δύσκολο να δουλέψεις σε μεγάλους εγκεφάλους και νευρικά συστήματα, όταν προσπαθείς να καταλάβεις τι συμβαίνει στο μυαλό», δηλώνει ο Κένεθ Λόχμαν, βιολόγος στο πανεπιστήμιο της Βόρειας Καρολίνας. Και οι μονάρχες θα μπορούσαν να είναι το κλειδί στην κατανόηση των μεταναστευτικών μηχανισμών, συμπληρώνει.
Ωστόσο, κάποιοι επιστήμονες αναρωτιούνται εάν έντομα όπως οι μονάρχες διαθέτουν μαγνητική αίσθηση. «Δεν πιστεύω ότι έχουν», λέει ο Χένρικ Μούριτσεν, βιολόγος στο πανεπιστήμιο του Όλντενμπουργκ. Πριν από δύο χρόνια δημοσίευσε μελέτη στον προσανατολισμό αυτών των πεταλούδων, η οποία δεν βρήκε καμία απόδειξη μαγνητικής αίσθησης. «Θα ήθελα να δω με τα ίδια μου τα μάτια ότι αυτές οι πεταλούδες μπορούν να το κάνουν, επειδή προσπάθησα και δεν μπόρεσα να τις βάλω να το κάνουν», αναφέρει χαρακτηριστικά.
Η εγχείρηση στον εγκέφαλο της πεταλούδας
Κάνοντας την εγχείρηση εγκεφάλου, ο δρ. Γκρομπ εισάγει ηλεκτρόδια σε τέσσερις τύπους νευρώνων. Όμως, οι μονάρχες έχουν περίπου 100 εκατομμύρια νευρώνες. Οπότε ο νευροβιολόγος δεν γνωρίζει αν επέλεξε τους σωστούς, στο τμήμα του εγκεφάλου που είναι «υπεύθυνο» για τον χωρικό προσανατολισμό. «Είναι σαν να πηγαίνεις στα τυφλά», παραδέχεται.
Αφού εντοπίσουν τους σωστούς, υποσχόμενους νευρώνες, οι ερευνητές βγάζουν την πεταλούδα σε εξωτερικό χώρο και την αφήνουν να προσπαθήσει να πετάξει νοτιοδυτικά, ενώ καταγράφουν τα σήματα του εγκεφάλου. Οι πεταλούδες δεν νιώθουν πόνο, καθώς το νευρικό τους σύστημα δεν έχει υποδοχείς πόνου.
Επί χρόνια ο δρ. Γκρομπ κάνει αυτά τα πειράματα σε εξωτερικούς χώρους και όχι σε εργαστήριο, για να πιστεύει το ζώο ότι μεταναστεύει. «Αν θέλουμε να κατανοήσουμε τη μετανάστευση, πρέπει να θέσουμε τα ζώα στο σωστό στάδιο συμπεριφοράς», εξηγεί ο Μπάζιλ ελ Τζούντι, νευροεπιστήμονας στο πανεπιστήμιο του Όλντενμπουργκ, το εργαστήριο του οποίου σχεδίασε το πείραμα.
Ο δρ. Ντρέγιερ που δεν συμμετείχε σε αυτή την έρευνα, χαρακτήρισε εξαιρετικά τα πειράματα που συνδυάζουν τον προσομοιωτή πτήσης με τις καταγραφές εγκεφάλου.
{https://www.instagram.com/p/DS_Al1CEnHV/}
Οι έρευνες και πώς μπορεί να ωφελήσουν τον άνθρωπο
Ο Στίβεν Ρέπερτ, νευροεπιστήμονας στο UMass Chan Medical School τις τελευταίες δύο δεκαετίες υπήρξε επικεφαλής περισσότερων από 20 μελετών που εξερεύνησαν πώς το εσωτερικό ρολόι της πεταλούδας μονάρχη καθοδηγεί την πλοήγησή της. Τα ευρήματά του μεταμόρφωσαν τον κλάδο: διαπίστωσε ότι οι μονάρχες μπορούν να χρησιμοποιήσουν τόσο τη θέση του ήλιου όσο και το μοτίβο του πολωμένου φωτός για να καθορίσουν την κατεύθυνση, ότι τα κιρκαδικά ρολόγια πλοήγησης βρίσκονται στις κεραίες και όχι στον εγκέφαλό τους, ότι συγκεκριμένα γονίδια κωδικοποιούν φωτοϋποδοχείς χρονομέτρησης που είναι απαραίτητοι για την πλοήγηση και πως η ηλιακή πυξίδα που χρησιμοποιούν για την πλοήγηση βρίσκεται στην περιοχή του εγκεφάλου που είναι γνωστή ως κεντρικό σύμπλεγμα.
Ανάμεσα στους μεταδιδακτορικούς φοιτητές του δρ. Ρέπερτ ήταν η Κριστίν Μέρλιν που ανέπτυξε αντίστροφη γενετική σε μονάρχες, αφαιρώντας συγκεκριμένα γονίδια προκειμένου να δει ποια άλλαζαν τους μηχανισμούς πλοήγησης του εντόμου. Πλέον είναι χρονοβιολόγος στο πανεπιστήμιο του Τέξας A&M και έχει στρέψει την προσοχή της στη μαγνητική αίσθηση και τους πραγματικούς αισθητήρες.
Μελέτη της που δημοσιεύθηκε το 2021 στο Nature Communications έδειξε ότι ένα συγκεκριμένο γονίδιο, το CRY1, ήταν απαραίτητο για τη μαγνητική απόκριση στους μονάρχες. Επίσης, η μελέτη κατέληξε πως οι κεραίες και τα μάτια εμπλέκονται στην ανίχνευση του μαγνητικού πεδίου. Όμως, με ποια ακριβώς φυσιολογική ή βιοχημική δομή;
Η Κέιλα Γκόουφορθ, μεταδιδακτορική ερευνήτρια στο εργαστήριο της δρ. Μέρλιν χρησιμοποιεί το CRISP, ένα εργαλείο επεξεργασίας γονιδίων για την αφαίρεση συγκεκριμένων από τους μονάρχες και κάνει δοκιμές προκειμένου να προσδιορίσει ποια τμήματα κωδικοποιούν τη μαγνητική πλοήγηση.
Εκτρέφει μονάρχες που δεν έχουν συγκεκριμένα γονίδια και στη συνέχεια εξετάζει εάν ακόμα μπορούν να προσανατολιστούν χρησιμοποιώντας μαγνητικά πεδία. Στόχος της είναι να βρει το μόριο όπου «συμβαίνουν όλες αυτές οι κβαντικού επιπέδου αντιδράσεις», δηλώνει. Θεωρητικά, η έρευνα έχει δυνατότητες για την ανάπτυξη ανθρώπινων συστημάτων πλοήγησης τα οποία δεν βασίζονται σε δορυφόρους, χρησιμεύοντας ως εναλλακτικές λύσεις όταν δεν είναι διαθέσιμο το GPS.
«Εάν μπορείς να αναπτύξεις ένα εργαλείο πλοήγησης βασισμένο στο μαγνητικό πεδίο της Γης, δεν μπορείς να το χάσεις. Είναι πάντα εκεί, μέρα ή νύχτα», εξηγεί η δρ. Γκόουφορθ.
Είναι δύσκολο έργο, αλλά οι επιπτώσεις εκτείνονται πολύ πέρα από τα έντομα. Η κατανόηση των μηχανισμών που χρησιμοποιούν οι μονάρχες για τον προσανατολισμό θα μπορούσε να βοηθήσει να εξηγηθεί πώς άλλα είδη μεταναστεύουν και πλοηγούνται, λέει ο δρ. Ρέπερτ.
Αυτό θα μπορούσε ενδεχομένως να περιλαμβάνει και ανθρώπους. «Έχουν οι άνθρωποι μαγνητική αίσθηση; Μπορεί να έχουμε μια υποσυνείδητη αίσθηση του μαγνητικού πεδίου της Γης. Αλλά υπάρχουν ελάχιστα στοιχεία για συνειδητή αντίληψη», επισημαίνει ο δρ. Ρέπερτ.
Οι δύο ομάδες, των δρ. ελ Τζούντι και δρ. Μέρλιν, επίσης κάνουν πειράματα για να κατανοήσουν άλλες πτυχές της μαγνητικής λήψης, όπως τη θέση της στην ιεραρχία των σημάτων της πυξίδας. Πότε χρησιμοποιούν οι μονάρχες τον ήλιο για να πλοηγηθούν; Πώς λειτουργούν μαζί οι δύο πυξίδες; Γιατί χρησιμοποιούν τον ήλιο όταν το μαγνητικό πεδίο φαίνεται πιο αξιόπιστο;
«Είναι μια σπουδαία περιπέτεια», λέει ο δρ. ελ Τζούντι. Ουσιαστικά, τα δύο εργαστήρια προσεγγίζουν το μυστήριο- πώς ο εγκέφαλος των αποδημητικών εντόμων κωδικοποιεί τη μετανάστευση- από αντίθετα άκρα.
Η δουλειά της δρ. Μέρλιν είναι να προσδιοριστεί πού βρίσκονται οι μαγνητικοί αισθητήρες στο σώμα της πεταλούδας και ποια γονίδια τους ελέγχουν, όπως και τι συμβαίνει σε μοριακό επίπεδο. Η δουλειά των δρ. Γκρομπ και ελ Τζούντι είναι να καταγράψουν πώς ο εγκέφαλος επεξεργάζεται τις μαγνητικές πληροφορίες, αφού τις ανιχνεύουν οι αισθητήρες.
Πηγή: NYT
