Magnetoreception mechanisms in birds - towards the discovery of the sixth sense

Magnetorezeptionsmechanismen von Vögeln - ein Schritt zur Entdeckung des sechstes Sinnes

This work is devoted to the description of mechanisms that might be responsible for avian magnetoreception. Two possible theoretical concepts underlying this phenomenon are formulated and their functionality is proven in
This work is devoted to the description of mechanisms that might be responsible for avian magnetoreception. Two possible theoretical concepts underlying this phenomenon are formulated and their functionality is proven in realistic geomagnetic fields. It has been suggested that the "magnetic sense" in birds may be mediated by the blue light receptor protein- cryptochrome- which is known to be localized in the retinas of migratory birds. Cryptochromes are a class of photoreceptor signaling proteins that are found in a wide variety of organisms and which primarily perform regulatory functions, such as the entrainment of circadian rhythm in mammals and the inhibition of hypocotyl growth in plants. Recent experiments have shown that the activity of cryptochrome-1 in Arabidopsis thaliana is enhanced by the presence of a weak external magnetic field, confirming the ability of cryptochrome to mediate magnetic field responses. Cryptochrome's signaling is tied to the photoreduction of an internally bound chromophore, flavin adenine dinucleotide (FAD). The spin chemistry of this photoreduction process, which involves electron transfer from a chain of three tryptophans, is modulated by the presence of a magnetic field in an effect known as the radical pair mechanism. Cryptochrome was suggested as a possible magnetoreceptor for the first time in 2000. However, no realistic calculations of the magnetic field effect in cryptochrome were performed. One of the goals of the present thesis is computationally to study the electron spin dynamics in cryptochrome and to show the feasibility of a cryptochrome-based compass in birds. In particular, the activation yield of cryptochrome was studied as a function of an external magnetic field and it was shown that the activation of the protein can be influenced by the geomagnetic field. In the work it has also been proven that cryptochrome provides an inclination compass, which is necessary for bird orientation. The evolution of spin densities as a function of time is also discussed. An alternative mechanism of avian magnetoreception discussed in the thesis is based on the interaction of two iron minerals (magnetite and maghemite) which were only recently found in subcellular compartments within the sensory dendrites of the upper beak of several bird species. The iron minerals in the beak form platelets of crystalline maghemite and assemblies of magnetite nanoparticles (magnetite clusters). The interaction between these particles can be manipulated by an external magnetic field inducing a primary receptor potential via strain-sensitive membrane channels that lead to a certain bird orientation effect. Various properties of the magnetite/maghemite magnetoreceptor system have been considered: the potential energy surface of the magnetite cluster has been calculated and analyzed as a function of the orientation of an external magnetic field; the forces acting on the magnetite cluster were calculated and analyzed; the force differences caused by the change of the direction of external magnetic field were established; the probability of opening the mechanosensitive ion channel was calculated. Finally it has been demonstrated that the iron-mineral based magnetoreceptor provides a polarity magnetic compass. Various conditions at which the magnetoreception process is violated are outlined.
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Das Ziel dieser Arbeit ist zwei mögliche Magnetorezepetionsmechanismen zu untersuchen und ihre Funktionalität unter realistischen Erdmagnetfeldbedingungen zu überprüfen. Es wurden vorgeschlagen: (i) Tiermagnetorezeption,
Das Ziel dieser Arbeit ist zwei mögliche Magnetorezepetionsmechanismen zu untersuchen und ihre Funktionalität unter realistischen Erdmagnetfeldbedingungen zu überprüfen. Es wurden vorgeschlagen: (i) Tiermagnetorezeption, die über das blaues Licht empfangende Protein Cryptochrom vermittelt wird. Cryptochrome gehören zu der Klasse von Photorezeptor-signalproteinen, die man in verschiedenen Arten von Tieren und Organismen finden kann, und die hauptsächlich Regulatorfunktion ausüben (wie z.B. Unterhaltung des Zirkadianrhythmus im Säugetier und die Inhibition von Hypocotylwachstum in Pflanzen.) Neuere Versuche haben gezeigt, dass die Aktivität von Cryptochrom in der Pflanze Arabidopsis thaliana im Magnetfeld zunimmt, was die Magnetfeld-Abhängigkeit der Cryptochrom-Aktivität belegt. Der Aktivzustand von Cryptochrom ist mit dem Photoreduktionsprozess von Chromophore, Flavin Adenine Dinucleotide (FAD) verbunden, der sich im Inneren des Cryptochroms befindet. Die Spin-Chemie dieses Photoreduktionsprozesses ist mit dem Elektronübergang zwischen drei Tryptophan-aminosäuren (Trp324, Trp377, Trp400) verbunden. Der Elektronübergangs-prozess wird durch ein externes Magnetfeld beinflusst. Der unterliegende übergangsmechanismus ist als Radikalpaarmechanismus bekannt und wird in dieser Arbeit besprochen. Cryptochrome wurde als möglicher Magnetorezeptor zum ersten Mal in 2000 vorgeschlagen. Immerhin wurden bis heute keine realistischen Berechnungen von Magnetfeldeffekten in dem Protein durchgeführt. Eines der Ziele dieser Dissertation ist eine numerische Untersuchung der Spindynamik in Cryptochrom durchzuführen, und die Möglichkeit des Cryptochrom-basierten Kompasses im Vogel zu demonstrieren. Insbesondere wird die Aktivierungsrate von Cryptochrom als Funktion des externen Magnetfeldes untersucht. Es wird gezeigt, dass die Aktivierungsrate von Cryptochrom durch schwache Magnetfelder (wie z.B. dem Erdmagnetfeld) beeinflusst werden kann. Die Aktivierungsrate von Cryptochrom wird als Funktion der Richtung des äusseren Magnetfeldes untersucht. Es wird gezeigt, dass Cryptochrom als ein Inklinationskompass dienen kann, der für die Navigation von Vögeln in Frage kommen kann. Des weiteren wird analysiert, wie sich die Spindichte im Cryptochrom mit der Zeit entwickelt. (ii) Die Vogelmagnetorezeption tritt auf Grund der Wechselwirkung zweier eisenhaltiger Mineralien (Magnetit und Maghemit). Diese Mineralien wurden experimentell in den Sensor-Dendriten des oberen Schnabels von verschiedenen Vogelarten nachgewiesen. Die eisenhaltigen Mineralien im Schnabel sind als Maghemitkristallplättchen und kugelähnlichen Formen aus Magnetit-nanokristallen zu finden (Magnetitcluster). Die Wechselwirkung zwischen diesen Teilchen kann durch das externe Magnetfeld beeinflusst werden, welches zunächst die öffnung von mechanosensiblen Ionnenkanälen verursacht und letzten Endes zum Orientierungsverhalten der Vögel führt. In der Dissertation wird die potentielle Energie des Magnentitclusters unter verschiedenen Orientierungen des externen Magnetfeldes untersucht. Aus dem potentiellen Energieprofil werden anschließend die Kräfte berechnet, die auf den Magnetitcluster wirken. Danach werden die Kraftänderungen aufgrund der Änderung der Magnetfeldrichtung berechnet. Als nächstes werden die Wahrscheinlichkeit für die mechanosensible Ionenkanal-öffnung festgestellt. Als wichtigen Hinweis, den die Experimentatoren prüfen müssen, wird das Fenster für die Magnetfeldintensität inerhalb dessen der der Mechanismus funktionieren kann. Zum Schluss wird gezeigt, dass dieser auf Eisenmineralien basierenden Mechanismus sowohl ein Inklinationskompass als auch ein Polarkompass darstellt. Verschiedene Bedingungen, die den Magnetorezeptionsprozess stören könnten, werden ebenfalls beschrieben.
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Metadaten
Author:Ilia Solov'yov
URN:urn:nbn:de:hebis:30-52910
Referee:Walter Greiner
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2008/02/20
Year of first Publication:2008
Publishing Institution:Univ.-Bibliothek Frankfurt am Main
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Univ.
Date of final exam:2008/02/04
Release Date:2008/02/20
Tag:avian magnetoreception ; biomagnetite; magnetic compass ; orientation in magnetic field ; radical pair mechanism
SWD-Keyword:Theoretische Physik
HeBIS PPN:195081455
Institutes:Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS)
Dewey Decimal Classification:530 Physik
PACS-Classification:75.50.Gg Ferrimagnetics
75.50.Tt Fine-particle systems; nanocrystalline materials
75.50.Xx Molecular magnets
82.39.Jn Charge (electron, proton) transfer in biological systems; Protein folding, see 87.15.Cc and 87.15.hm
82.39.Rt Reactions in complex biological systems (see also 87.18.-h Biological complexity)
82.50.Hp Processes caused by visible and UV light
Sammlungen:Universitätspublikationen
Licence (German):License Logo Veröffentlichungsvertrag für Publikationen

$Rev: 11761 $