Light-dependent magnetoreception in zebra finches : - from behaviour to receptor
Författare
Summary, in Swedish
Fåglarnas förmåga att flyga över extremt långa sträckor utan att hamna vilse har
förvånat människor i århundraden. Det är känt att djur kan använda solens eller
stjärnornas läge, landmärken och jordens magnetfält som informationskälla för
orientering, det vill säga de kan använda källan för att få kompassinformation.
Eftersom magnetfältet är närvarande överallt på planeten kan magnetisk
kompassinformation vara användbar inte bara för flyttfåglar utan potentiellt för alla slags djur.
Trots att vi observerat att magnetisk kompassinformation används i många fält- och laboratorieobservationer på fåglar och andra djur, finns det ingen detaljerad
information om hur fåglar kan uppfatta magnetfältsinformation. En av de viktigaste teorierna som försöker förklara detta mystiska sinne föreslår att ett specifikt ljusaktiverat protein, kryptokrom, kan producera olika kemiska produkter beroende på hur kryptokromet är orienterat i förhållande till
magnetfältet. Kryptokromerna är också kända för att de reglerar den biologiska klockan i djur, så det verkar som om de kan ha mer än en specifik funktion.
Huvudmålet med min avhandling var att studera magnetkompassen ur olika
synvinklar, på en liten sångfågel, i Zebrafinken. Zebrafinkar migrerar inte över
långa sträckor, men de har en fungerande magnetisk kompass som kan användas på en mindre skala för lokala förflyttningar.
Eftersom kryptokrom och magnetkompassen beror på ljus, ville jag studera vilka av ljusets egenskaper som var avgörande för att systemet skulle fungera. Tidigare studier av olika arter av insekter, amfibier och andra fåglar visade att
magnetkompassen fungerade normalt när belysningsfärgen var blå, gron och gula, men att kompassen inte fungerade i röd belysning. Jag testade zebrafinkarna under liknande förhållanden och observerade samma resultat: jag kunde se att fåglarna var orienterade i indigo och grönt ljus, men att de inte var orienterade i rött ljus. Det är även känt att interaktionerna mellan kryptokromer och magnetfältet kan påverkas i närvaro av radiovågsinterferens, så dessa vågor har tidigare använts som en detektor av aktiverade kryptokromer. När mina fåglar testades under samma ljusförhållanden som tidigare, men i närvaro av radiovågsinterferensen, slutade deras magnetiska kompass att fungera, vilket tyder på att mekanismen verkligen beror på kryptokrom (manus I).
Flera olika kryptokrom finns hos de flesta djur, och hos fåglar har tre typer
rapporterats (Cry1, Cry2 och Cry4). Som tidigare nämnt är kryptokromer också
kända för att de reglerar den biologiska klockan. De flesta proteiner som är
involverade i det biologiska klock-programmet ökar och minskar i kvantitet över
dagen. Därför mätte jag nivåerna av dessa tre kryptokromer i zebrafinksögon, för att studera om de varierade i kvantitet över dagen. Jag observerade att Cry1 och Cry2 har en daglig variation, vilket tyder på att de medverkar den biologiska klockmekanismen. Däremot förändrades Cry4-nivåerna inte under dagen, vilket indikerar att dess funktion kan vara oberoende av den biologiska klockan. Eftersom magnetkompassen har upptäcktes både i migrerande och icke-migrerande djur är det förmodligen en mekanism som är oberoende av dags- och årstid. Kryptokrom kan separeras i typer enligt olika egenskaper, en av dem är om de kan aktiveras av naturligt ljus eller inte. Cry1 och Cry2 kan inte aktiveras av ljus men det kan Cry4. Tillsammans antyder detta att den magnetiska kompassen, som verkar bero på en ljuskänslig receptor som är stabil över tid, använder Cry4 (manus II).
Den andra halvan av min avhandling är dedikerad till att visa var i zebrafinksögat
jag kunde hitta celler som innehåller Cry1 (eftersom tidigare studier indikerat detta kryptokrom som en möjlig receptor för magnetsinnet) eller Cry4 (eftersom mina egna fynd tyder på att detta är den troliga magnetreceptorn). Jag hittade Cry1 i alla UV-tappar, en ljuskänslig cell som aktiveras av UV-ljus hos fåglarna och som är inblandad i färgseendet. Något liknande hittades hos kycklingar och europeiska rödhakar. Eftersom vi vet att Cry1 är en typ av kryptokrom som inte aktiveras av ljus och att det är inblandat i reglering av den biologiska klockan, tror vi att Cry1 måste ha en annan, hittills okänd funktion i UV-tapparna som skiljer sig från magnetsinnet (manus III).
När jag analyserade fåglarnas näthinnor på jakt efter Cry4 fann jag att bara en liten grupp celler innehöll detta protein. Dessa celler arrangerades runt ögats iris och bildade en ring på näthinnans ytterkant. Utöver detta identifierades cellerna som innehöll Cry4 i den ringen som horisontalceller, en speciell typ av cell som
behandlar signalen som kommer från ljuskänsliga celler, innan den skickas till
hjärnan, vilket förbättrar kontrasten i de bilder som ögat ser. Att hitta Cry4 i dessa celler, föreslår att den magnetiska informationen kan påverka horisontalcellernas bildbehandling. Ännu mer intressant, antyder ringstrukturen att magnetfältsinformationen endast uppfattas på kanterna men inte i mitten av
synfältet hos fåglarna, vilket skulle innebära att även om både visuell och magnetisk information uppfattas via ögat, inte stör varandra, vilket gör det mycket enklare för hjärnan att bearbeta denna information (manus IV).
Dessa resultat visar att zebrafinkarnas magnetiska kompass fungerar på samma sätt som beskrivits för flyttfåglar, att mekanismen innefattar kryptokrom som receptor, och att det är troligen att Cry4 i horisontella celler som är det specifika proteinet som stöder hela systemet. Mina resultat bekräftar tidigare fynd hos andra fåglar och öppnar nya möjligheter att förstå hur den magnetiska informationen uppfattas av fåglar och andra djur.
förvånat människor i århundraden. Det är känt att djur kan använda solens eller
stjärnornas läge, landmärken och jordens magnetfält som informationskälla för
orientering, det vill säga de kan använda källan för att få kompassinformation.
Eftersom magnetfältet är närvarande överallt på planeten kan magnetisk
kompassinformation vara användbar inte bara för flyttfåglar utan potentiellt för alla slags djur.
Trots att vi observerat att magnetisk kompassinformation används i många fält- och laboratorieobservationer på fåglar och andra djur, finns det ingen detaljerad
information om hur fåglar kan uppfatta magnetfältsinformation. En av de viktigaste teorierna som försöker förklara detta mystiska sinne föreslår att ett specifikt ljusaktiverat protein, kryptokrom, kan producera olika kemiska produkter beroende på hur kryptokromet är orienterat i förhållande till
magnetfältet. Kryptokromerna är också kända för att de reglerar den biologiska klockan i djur, så det verkar som om de kan ha mer än en specifik funktion.
Huvudmålet med min avhandling var att studera magnetkompassen ur olika
synvinklar, på en liten sångfågel, i Zebrafinken. Zebrafinkar migrerar inte över
långa sträckor, men de har en fungerande magnetisk kompass som kan användas på en mindre skala för lokala förflyttningar.
Eftersom kryptokrom och magnetkompassen beror på ljus, ville jag studera vilka av ljusets egenskaper som var avgörande för att systemet skulle fungera. Tidigare studier av olika arter av insekter, amfibier och andra fåglar visade att
magnetkompassen fungerade normalt när belysningsfärgen var blå, gron och gula, men att kompassen inte fungerade i röd belysning. Jag testade zebrafinkarna under liknande förhållanden och observerade samma resultat: jag kunde se att fåglarna var orienterade i indigo och grönt ljus, men att de inte var orienterade i rött ljus. Det är även känt att interaktionerna mellan kryptokromer och magnetfältet kan påverkas i närvaro av radiovågsinterferens, så dessa vågor har tidigare använts som en detektor av aktiverade kryptokromer. När mina fåglar testades under samma ljusförhållanden som tidigare, men i närvaro av radiovågsinterferensen, slutade deras magnetiska kompass att fungera, vilket tyder på att mekanismen verkligen beror på kryptokrom (manus I).
Flera olika kryptokrom finns hos de flesta djur, och hos fåglar har tre typer
rapporterats (Cry1, Cry2 och Cry4). Som tidigare nämnt är kryptokromer också
kända för att de reglerar den biologiska klockan. De flesta proteiner som är
involverade i det biologiska klock-programmet ökar och minskar i kvantitet över
dagen. Därför mätte jag nivåerna av dessa tre kryptokromer i zebrafinksögon, för att studera om de varierade i kvantitet över dagen. Jag observerade att Cry1 och Cry2 har en daglig variation, vilket tyder på att de medverkar den biologiska klockmekanismen. Däremot förändrades Cry4-nivåerna inte under dagen, vilket indikerar att dess funktion kan vara oberoende av den biologiska klockan. Eftersom magnetkompassen har upptäcktes både i migrerande och icke-migrerande djur är det förmodligen en mekanism som är oberoende av dags- och årstid. Kryptokrom kan separeras i typer enligt olika egenskaper, en av dem är om de kan aktiveras av naturligt ljus eller inte. Cry1 och Cry2 kan inte aktiveras av ljus men det kan Cry4. Tillsammans antyder detta att den magnetiska kompassen, som verkar bero på en ljuskänslig receptor som är stabil över tid, använder Cry4 (manus II).
Den andra halvan av min avhandling är dedikerad till att visa var i zebrafinksögat
jag kunde hitta celler som innehåller Cry1 (eftersom tidigare studier indikerat detta kryptokrom som en möjlig receptor för magnetsinnet) eller Cry4 (eftersom mina egna fynd tyder på att detta är den troliga magnetreceptorn). Jag hittade Cry1 i alla UV-tappar, en ljuskänslig cell som aktiveras av UV-ljus hos fåglarna och som är inblandad i färgseendet. Något liknande hittades hos kycklingar och europeiska rödhakar. Eftersom vi vet att Cry1 är en typ av kryptokrom som inte aktiveras av ljus och att det är inblandat i reglering av den biologiska klockan, tror vi att Cry1 måste ha en annan, hittills okänd funktion i UV-tapparna som skiljer sig från magnetsinnet (manus III).
När jag analyserade fåglarnas näthinnor på jakt efter Cry4 fann jag att bara en liten grupp celler innehöll detta protein. Dessa celler arrangerades runt ögats iris och bildade en ring på näthinnans ytterkant. Utöver detta identifierades cellerna som innehöll Cry4 i den ringen som horisontalceller, en speciell typ av cell som
behandlar signalen som kommer från ljuskänsliga celler, innan den skickas till
hjärnan, vilket förbättrar kontrasten i de bilder som ögat ser. Att hitta Cry4 i dessa celler, föreslår att den magnetiska informationen kan påverka horisontalcellernas bildbehandling. Ännu mer intressant, antyder ringstrukturen att magnetfältsinformationen endast uppfattas på kanterna men inte i mitten av
synfältet hos fåglarna, vilket skulle innebära att även om både visuell och magnetisk information uppfattas via ögat, inte stör varandra, vilket gör det mycket enklare för hjärnan att bearbeta denna information (manus IV).
Dessa resultat visar att zebrafinkarnas magnetiska kompass fungerar på samma sätt som beskrivits för flyttfåglar, att mekanismen innefattar kryptokrom som receptor, och att det är troligen att Cry4 i horisontella celler som är det specifika proteinet som stöder hela systemet. Mina resultat bekräftar tidigare fynd hos andra fåglar och öppnar nya möjligheter att förstå hur den magnetiska informationen uppfattas av fåglar och andra djur.
Avdelning/ar
Publiceringsår
2018-04
Språk
Engelska
Dokumenttyp
Doktorsavhandling
Förlag
Lund University, Faculty of Science, Department of Biology
Ämne
- Natural Sciences
Nyckelord
- magnetoreception
- radical-pair process
- magnetic compass
- orientation
- cryptochrome
- Taeniopygia guttata
Status
Published
Forskningsgrupp
- Lund Vision Group
Handledare
ISBN/ISSN/Övrigt
- ISBN: 978-91-7753-682-6
- ISBN: 978-91-7753-681-9
Försvarsdatum
25 maj 2018
Försvarstid
10:00
Försvarsplats
Lecture hall “Blå hallen”, Ecology building, Sölvegatan 37, Lund
Opponent
- Leo Peichl (Prof. Dr.)