في السعي وراء الحاسة المغناطيسية للملك
في سقيفة تخزين تحت سماء تكساس الصافية في نوفمبر، أجرى روبن جروب عملية جراحية مفتوحة للدماغ على فراشة ملكية.
أظهرت قصاصات من الشريط جناحي الفراشة باللونين الأسود والبرتقالي مفتوحتين وثبتت جسمها الغامض المرقط باللون الأبيض تحت المجهر. من خلال العدسة، ظهر الدماغ ككتلة صغيرة صفراء، تم إدخال رباعي فيها - أربعة أقطاب كهربائية، كل منها أرق من شعرة الإنسان. عند النظر إلى الأسفل، قام الدكتور جروب، عالم الأحياء العصبية في الجامعة النرويجية للعلوم والتكنولوجيا، بإغلاق رأس الفراشة بعناية بالسيليكون، لمنع الأقطاب الكهربائية من التحرك.
كافحت الفراشة ضد الشريط. قال الدكتور جروب بهدوء: "اهدأ". "توقف عن الحركة."
كانت الخطوة التالية هي الأصعب: تحريك الفراشة والرباعية وكل شيء في الهواء الطلق إلى جهاز محاكاة الطيران، وهو عبارة عن أسطوانة معدنية مفتوحة بحجم جرة القهوة. وفي داخلها، سيتم ربط الفراشة والسماح لها بالتحليق عبر مجال مغناطيسي يتم التحكم فيه بعناية. ومن شأن حركة واحدة متناقضة في الطريق أن تزيح الأقطاب الكهربائية وتدمر ساعات الجراحة. ولكن إذا نجح دكتور جروب - إذا نجت الفراشة من عملية النقل وبقي الرباعي في مكانه - فيمكنه تسجيل اللحظة الدقيقة التي استشعر فيها دماغها نوع المجال المغناطيسي الذي يوجه الملوك عبر القارة.
في كل عام، تسافر الملوك آلاف الأميال من كندا إلى غابات التنوب في المكسيك. للتنقل، يستخدمون مجموعة من البوصلات الداخلية. لكن علم وظائف الأعضاء الدقيق حيّر العلماء لعقود من الزمن: كيف يمكن لحشرة ذات دماغ أصغر من حبة الأرز أن تجد نفس الغابات سنة بعد سنة؟
تعتمد الحيوانات، بما في ذلك البشر، على مجموعة من الإشارات الداخلية والخارجية للتنقل، بما في ذلك موقع الشمس والنجوم، واستقطاب الضوء، وذاكرة المعالم الجغرافية والمزيد. ومن بين كل هذه الأمور، تظل الحاسة المغناطيسية - وهي قدرة الدماغ على اكتشاف المجال المغناطيسي للأرض بحساسية تشبه البوصلة - هي الأكثر مراوغة.
وقال ديفيد دراير، عالم الأعصاب في جامعة لوند في السويد: "نحن نفهم كيف يمكننا أن نشم، وكيف يمكننا أن نرى، وكيف يمكننا أن نسمع، لكننا لا نفهم كيف يمكن للحيوانات أن تستشعر المجال المغناطيسي". "إنها الحاسة الأخيرة التي لا يتم فهمها حقًا."
الخرائط والبوصلات
هناك حواسان رئيسيتان يمكن للحيوان استخدامهما للملاحة: حاسة الخريطة وحاسة البوصلة. الإحساس بالخريطة هو قدرة الحيوان على تحديد موقعه الحالي بالنسبة إلى مكان معين. حاسة البوصلة هي قدرة الحيوان على استخدام إشارات خارجية لتوجيه نفسه في اتجاه معين.
تمتلك السلاحف البحرية ضخمة الرأس كليهما: يمكنها استخدام المجال المغناطيسي للأرض كبوصلة للحفاظ على الاتجاه، ولكن يمكنها أيضًا استخدامه كنوع من الخريطة لتحديد مكانها. وهذا يعني أنه يمكنهم التنقل إلى منازلهم، حتى من أماكن لم يسبق لهم زيارتها من قبل. ومع ذلك، فإن الحشرات المهاجرة لديها بوصلة، ولكن ليس لديها خريطة. يمكن أن تهاجر في اتجاه معين، ولكن لا يوجد دليل قاطع على أنها تعرف مكان وجودها بالنسبة إلى المكان الذي بدأت فيه أو إلى أين تتجه.
ومع ذلك، باعتبارها موضوعًا لأبحاث الهجرة، تقدم الحشرات ميزة واحدة على السلاحف والطيور: إن أدمغتها وأجهزتها العصبية أصغر حجمًا وأقل تعقيدًا، لذا فإن دوائرها العصبية أسهل (نسبيًا) في فك رموزها.
"أدمغة كبيرة وجهاز عصبي" وقال كينيث لوهمان، عالم الأحياء في جامعة نورث كارولينا في تشابل هيل: «يمكن أن يكون التعامل مع الأنظمة أكثر صعوبة عندما تحاول حقًا فهم ما يحدث في الدماغ». وأضاف أنه من المحتمل أن تكون الحشرات الملكية هي المفتاح لفهم آليات الهجرة.
ومع ذلك، يتساءل بعض العلماء عما إذا كانت الحشرات مثل الملوك تمتلك حاسة مغناطيسية. وقال هنريك موريتسن، عالم الأحياء في جامعة أولدنبورغ في ألمانيا: «لا أعتقد أن لديهم واحدًا». قبل عقدين من الزمن، نشر الدكتور موريتسن، الذي يدرس البوصلة المغناطيسية في الطيور، دراسة عن التوجه الملكي، ولم تجد أي دليل على وجود حاسة مغناطيسية.
"أود أن أرى بأم عيني أن تلك الفراشات يمكنها فعل ذلك، لأنني حاولت ولم أتمكن من حملها على القيام بذلك".
عقل صغير الجراحة
بالعودة إلى السقيفة، حدق الدكتور جروب في شاشة جهاز الكمبيوتر الخاص به بينما تومض أولى إشارات الدماغ في ذلك اليوم عبر الشاشة. لقد قام بإدخال أقطاب كهربائية في أربعة أنواع مختلفة من الخلايا العصبية في دماغ الملك. لكن الملوك لديهم حوالي 100 مليون خلية عصبية، ولم يكن يعرف حتى الآن ما إذا كان قد اختار الأربعة الصحيحة، والتي تقع في المجمع المركزي، وهي المنطقة التي تتحكم في التوجه المكاني. وقال إن الأمر يشبه "الذهاب في حالة عمياء".
تتضمن التجربة قدرًا معينًا من التجربة والخطأ. بعد تحديد أربع خلايا عصبية واعدة، أخذ الباحثون الملك إلى الخارج وتركوه يحاول الطيران باتجاه الجنوب الغربي بينما كانوا يراقبون إشارات الدماغ بحثًا عن دليل على الاستقبال المغناطيسي. (على الرغم من العملية المروعة، لا تشعر الفراشات بالألم، لأن أنظمتها العصبية تفتقر إلى مستقبلات الألم.) إذا لم يظهر أي منها، فإنها ستبدأ مرة أخرى بفراشة أخرى.
لعدة سنوات، ظل الدكتور جروب يحاول إجراء هذه التسجيلات الخارجية. أحد أسباب العمل في الخارج مقابل العمل في مختبر يتم التحكم فيه بعناية هو جعل الحيوان يعتقد أنه يهاجر.
وقال باسل الجندي، عالم الأعصاب في جامعة أولدنبورغ الذي صمم مختبره التجربة: "إذا أردنا أن نفهم الهجرة، فنحن بحاجة إلى وضع الحيوانات في المرحلة السلوكية الصحيحة". "عليك أن تقوم بالتسجيل من حيوان طائر أثناء طيرانه فعليًا."
د. ووصف دراير، الذي لم يشارك في البحث، التجارب التي تجمع بين جهاز محاكاة الطيران وتسجيلات الدماغ، بأنها "رائعة".
ما بعد العاهل
في عام 2000، كان ستيفن ريبرت، عالم الأعصاب في كلية الطب بجامعة UMass تشان، يقود سيارته عبر الغرب الأوسط عندما رأى ما يشبه سحابة برتقالية منخفضة معلقة أمامه.
"كان الهواء كثيفًا جدًا مع الملوك لدرجة أن العديد منها اصطدمت بسحابتي". قال في رسالة بالبريد الإلكتروني: "نوافذ السيارة". "لقد خرجت عن الطريق وأوقفت السيارة، أحدق في هذا المشهد المذهل."
حتى ذلك الحين، ركزت معظم الأبحاث حول الملوك على البيئة: أين ذهبوا، وكم منهم نجوا. لكن عند مشاهدة تلك السحابة البرتقالية، كان للدكتور ريبيرت فكرة مختلفة. قال: "ثم خطر ببالي أن الفراشة الملكية والآليات الكامنة وراء سلوكها المذهل في الهجرة تحتاج إلى دراسة".
على مدى العقدين التاليين، عمل د. قاد ريبيرت أكثر من 20 دراسة لاستكشاف كيفية قيام الساعة الداخلية للملك بتوجيه ملاحته. وقد غيرت النتائج التي توصل إليها هذا المجال: حيث أصبح بإمكان الملوك استخدام موقع الشمس ونمط ضوء النهار المستقطب لتحديد الاتجاه؛ وأن ساعاتهم البيولوجية الملاحية موجودة في قرون استشعارهم، وليس في أدمغتهم؛ وأن بعض الجينات تقوم بتشفير المستقبلات الضوئية الخاصة بضبط الوقت والتي تعتبر ضرورية للملاحة؛ وأن البوصلة الشمسية المستخدمة في الملاحة موجودة في منطقة الدماغ المعروفة باسم المجمع المركزي.
كانت كريستين ميرلين إحدى طلاب ما بعد الدكتوراه لدى الدكتور ريبيرت. لقد طورت علم الوراثة العكسي لدى الملوك، حيث قامت بإزالة جينات معينة لمعرفة أي منها يغير آليات الملاحة لدى الحشرة. أصبحت الآن عالمة في علم الأحياء الزمني في جامعة تكساس إيه آند إم، على بعد أميال فقط من سقيفة دكتور جروب، وقد حولت الدكتورة ميرلين انتباهها إلى الحاسة المغناطيسية، وأصبحت تقترب من أجهزة الاستشعار الفعلية.
أظهرت دراسة أجراها الدكتور ميرلين عام 2021، ونُشرت في مجلة Nature Communications، أن جينًا محددًا، CRY1، كان ضروريًا للاستجابة المغناطيسية لدى الملوك. وأظهرت الدراسة أيضًا أن الهوائيات والعينين شاركت في استشعار المجال المغناطيسي. ولكن في أي بنية فسيولوجية أو كيميائية حيوية بالضبط؟
تستخدم كايلا جوفورث، باحثة ما بعد الدكتوراه في مختبر الدكتور ميرلين، تقنية كريسبر، وهي أداة لتحرير الجينات، لإزالة جينات معينة من الملوك، وتجري اختبارات لتحديد الأجزاء التي تشفر للملاحة المغناطيسية. تقوم بتوليد ملوك يفتقرون إلى جينات معينة، ثم ترى ما إذا كان لا يزال بإمكانهم التوجيه باستخدام المجالات المغناطيسية. وقالت إن هدفها هو العثور على الجزيء الذي "تحدث فيه كل هذه التفاعلات على المستوى الكمي". من الناحية النظرية، يحمل البحث إمكانية تطوير أنظمة الملاحة البشرية التي لا تعتمد على الأقمار الصناعية، وتكون بمثابة بديل عندما لا يتوفر نظام تحديد المواقع العالمي (GPS).
وقال الدكتور جوفورث: "إذا تمكنت من تطوير أداة ملاحية تعتمد على المجال المغناطيسي للأرض، فلن تفقدها". "إنه موجود دائمًا. إنه موجود ليلًا أو نهارًا."
العمل شاق. لكن الآثار تمتد إلى ما هو أبعد من الحشرات. قال الدكتور ريبيرت إن فهم الآليات التي تستخدمها الملوك للتوجيه يمكن أن يساعد في تفسير كيفية هجرة الأنواع الأخرى وتنقلها.
من المحتمل أن تشمل هذه المجموعة البشر. "هل لدى البشر حاسة مغناطيسية؟" قال الدكتور ريبيرت. "قد يكون لدينا إحساس لا واعي بالمجال المغناطيسي للأرض. ولكن لا يوجد سوى أدلة قليلة على الإدراك الواعي. "
يقوم الفريقان، فريق الدكتور الجندي والدكتور ميرلين، أيضًا بإجراء تجارب لفهم جوانب أخرى من الاستقبال المغناطيسي، بما في ذلك مكانه في التسلسل الهرمي لإشارات البوصلة. متى يستخدم الملوك الشمس للتنقل؟ كيف تعمل البوصلتان معًا؟ لماذا نستخدم الشمس على الإطلاق عندما يبدو المجال المغناطيسي أكثر موثوقية؟
قال الدكتور الجندي: "إنها مغامرة رائعة". في الواقع، يقترب المختبران من اللغز - "كيف يقوم دماغ الحشرات المهاجرة بتشفير الهجرة"، على حد قوله - من طرفين متضادين. عمل الدكتور ميرلين هو المنبع، حيث يحدد مكان وجود أجهزة الاستشعار المغناطيسية في جسم الفراشة والجينات التي تتحكم فيها، وكذلك ما يحدث على المستوى الجزيئي. يتجه عمل الدكتور جروب والدكتور الجندي نحو مجرى النهر، حيث يسجلان كيفية معالجة الدماغ للمعلومات المغناطيسية بعد أن تكتشفها أجهزة الاستشعار. تشبه إلى حد كبير هجرة الحشرة الملكية: بدءًا من مكان واحد، وتنتهي في مكان آخر.
بمجرد تصلب السيليكون على ملكة الدكتور جروب، رفع الحشرة بعناية وخرج من السقيفة باتجاه جهاز محاكاة الطيران. هل ستؤدي ساعات الجراحة إلى بيانات مفيدة أم أنها محاولة فاشلة أخرى؟
لقد ربط الفراشة بحبل جهاز المحاكاة، وبعد بضع نقرات ناعمة لتحفيزها، بدأت أجنحة الحشرة تنبض. ظهرت إشارات على شاشة الكمبيوتر، على شكل موجتين جيبيتين. دكتور. راقب جروب عن كثب الفراشة وهي تعدل زاوية طيرانها.
في مكان ما في الدماغ أصغر من حبة الأرز قد يكمن الجواب على كيفية استفادة الكائنات الحية من حقل غير مرئي للرحلة عبر الكوكب. قال: "هذا ليس مجرد ملك".