ijzerrijke immuuncellen helpen postduiven navigeren
Nieuwe studie identificeert een verrassend mechanisme voor het waarnemen van het magnetisch veld van de aarde
Van alle talloze dierlijke zintuigen is de meest mysterieuze en controversiële de waarneming van magnetisme. Op de een of andere manier detecteren trekvogels, zeeschildpadden en andere wezens het magnetisch veld van de aarde en gebruiken de richting ervan om te navigeren. Nu heeft een artikel gepubliceerd in Science een verrassend mechanisme gevonden: ijzerrijke immuuncellen in de lever van postduiven lijken de vogels hun magnetisch kompas te geven.
“Het concept … is gewoon verbluffend,” zegt Catherine Lohmann, een sensorisch ecoloog aan de University of North Carolina at Chapel Hill die er niet bij betrokken was. “Het is echt een nieuwe richting en een heel frisse kijk op een controverse die al lange tijd in de literatuur aanwezig is.”
Veel dieren hebben magnetisch geïnspireerde richtingszintuigen, waaronder vogels, schildpadden, haaien en honden. Enkele onderzoekers denken zelfs dat mensen een rudimentair magnetisch gevoel kunnen hebben. Hoe dit gevoel precies werkt, is fel bediscussieerd. Een vroege hypothese was dat kleine magnetietkristallen die in het weefsel van de dieren zijn ingebed op de een of andere manier fungeren als kompasnaalden. Een recenter idee is dat eiwitten in het netvlies, cryptochromen genoemd, reageren op magnetische velden; Dit zou trekkende zangvogels in staat stellen in de juiste richting te vliegen, zelfs in het zwakke schemerlicht. Vorig jaar ontdekten onderzoekers die postduiven bestudeerden een ander mechanisme. Laboratoriumexperimenten toonden aan dat wisselende magnetische velden elektrische stromen in hun binnenoor opwekken, waardoor zenuwen worden gestimuleerd die naar de hersenen leiden.
De ontdekking van de nieuwe studie bij duiven begon met een toevallige ontmoeting. Tijdens een wetenschappelijke conferentie raakte ornitholoog Martin Wikelski, die migrerende soorten bestudeert aan het Max Planck Instituut voor Diergedrag, een gesprek met immunoloog Christian Kurts van de Universiteit van Bonn. Nadat Wikelski de rol van magnetisme in diernavigatie had beschreven, zei Kurts dat hij had ontdekt dat immuuncellen, macrofagen genoemd, afkomstig uit de milten van muizen en mensen, kleine magnetische ijzerdeeltjes bevatten die ontstonden wanneer de macrofagen oude rode bloedcellen afbraken en hun ijzeratomen vastlegden. Kunnen vergelijkbare immuuncellen een rol spelen bij de navigatie van postduiven?
Leverweefsel met macrofagen blauw gekleurd om hun magnetisch ijzer te onthullen Lisowski et al.
Kurts had een idee om de hypothese te testen, dus haalde hij de Bonner postdoctoraal onderzoeker Clivia Lisowski in—die al lang gefascineerd was door hoe cellen hun omgeving waarnemen—om het onderzoek te leiden. “Ik was verslaafd,” herinnert ze zich.
Eerst controleerde Lisowski of verschillende duivenweefsels dezelfde kleine magnetische deeltjes vertoonden als muizenimmuuncellen. Zij en haar collega’s verwachtten een hotspot in de milt te vinden, die bij zoogdieren de primaire plek is waar macrofagen rode bloedcellen recyclen. In plaats daarvan toonde een gevoelige magnetometer aan dat de lever het sterkste signaal had van alle geteste weefsels. Het was relatief zwak, maar nog steeds meer dan 20 keer het achtergrondgeluidsniveau van het instrument.
Zorgvuldig kleuren van dunne plakjes postduivenweefsel bevestigde dat een vorm van ijzer genaamd ferritine overvloedig voorkomt in levermacrofagen, maar schaars is in de milt en afwezig in de snavel of hersenen. Een nadere blik met een elektronenmicroscoop liet ook zien dat veel van de levermacrofagen van de duiven direct naast neuronen stonden. Bij zoogdieren kunnen neuronen in de milt communiceren met macrofagen, en bij zowel zoogdieren als vogels verbinden deze neuronen ook met het centrale zenuwstelsel.
Vervolgens testten de onderzoekers of deze ijzerrijke macrofagen als magnetische kompas voor de duiven fungeren via een eenvoudig, elegant experiment: het uitschakelen van de macrofagen met een medicijn genaamd clodronaatliposomen. Het team trainde 34 postduiven, een variëteit gefokt vanwege hun vaardige wayfinding, om een route van 19 kilometer recht naar het oosten te vliegen. Overdag gebruiken duiven de positie van de zon om zich te oriënteren. Maar als het bewolkt en volledig bewolkt is, vertrouwen ze op hun magnetisch gevoel om hun positie te bepalen. Bij het Bodenmeer injecteerde het team 18 vogels met clodronaat en 24 uur later lieten ze één voor één los toen dichte wolken de zon volledig blokkeerden. De vogels waren uitgerust met GPS-zenders, zodat het team ze in realtime kon volgen.
Postduiven oriënteren zich aan de hand van de positie van de zon onder zonnige hemel en vertrouwen op hun magnetisch gevoel als het bewolkt is. Onder bewolkte omstandigheden hadden postduiven met hun normale levermacrofagen weinig moeite om een route van 19 kilometer te vliegen waarvoor ze getraind waren. Wanneer ze werden geïnjecteerd met clodronaatliposomen die de levermacrofagen uitschakelden, konden de duiven de route zonder problemen navigeren als het zonnig was. Onder bewolkte luchten hadden postduiven met uitgeputte levermacrofagen echter hevig moeite om hun weg naar huis te vinden—wat suggereert dat de immuuncellen een rol spelen in het magnetische zintuig van de vogels. Max Planck Instituut voor Diergedrag
Alle 18 vogels raakten hopeloos verdwaald en keerden pas terug naar huis nadat de lucht was opgeklaard. Ter vergelijking: 16 vogels die na schijninjecties werden vrijgelaten, vlogen direct naar huis. “Voor mij was dat de eerste aanwijzing dat er iets echt spannends gaande is,” zegt Wikelski. Om uit te sluiten dat het medicijn de vogels had gedesoriënteerd of andere bijwerkingen had veroorzaakt waardoor ze hun weg kwijt raakten, lieten de onderzoekers op zonnige dagen verdoofde vogels vrij. Ze vlogen prima naar huis.
“Dit is een buitengewoon spannende ontdekking,” zegt Verner Bingman, neuro-etholoog aan de Bowling Green State University. Toch ziet hij de studie als “een proof of concept” dat verder onderzocht moet worden. In plaats van de macrofagen uit te schakelen, zou Bingman graag een experiment zien waarbij magnetische informatie uit de lever wordt gemanipuleerd. Vergelijkbare interventies werden uitgevoerd tijdens experimenten in de jaren zeventig, toen onderzoekers postduiven uitrustten met metalen spoelen die de magnetische velden rond hun hoofden veranderden, waardoor ze in de tegenovergestelde richting vlogen.
Susanne Åkesson, dierecoloog aan de Universiteit van Lund, zegt dat er nog verschillende vragen blijven over de mogelijke rol van de lever in navigatie, zoals hoe de macrofagen magnetische informatie mogelijk doorgeven aan nabijgelegen neuronen. Een idee is dat wanneer de vogel zijn positie ten opzichte van de magnetische veldlijnen van de aarde verschuift, de ferritine van oriëntatie verandert en aan het web van vezels binnen een macrofaag trekt, wat mogelijk de afgifte van signaalmoleculen veroorzaakt.
Als het ferritinemechanisme wordt bevestigd, zegt Wikelski, “kan het heel algemeen zijn van bijen tot vleermuizen tot walvissen tot haaien.” Maar Lohmann blijft voorzichtig. In tegenstelling tot een postduif die naar huis vliegt, heeft de studie van het magnetisch zintuig van dieren zelden de rechte, smalle weg genomen. “Ik denk dat de tijd zal leren of het klopt of niet,” zegt Lohmann, “maar het is intrigerend.”
De Zwaluw Rijssen 