Magnetisme wordt veroorzaakt door de elektromagnetische kracht, één van de vier fundamentele krachten. Bij aanvang van het heelal  waren deze krachten gebundeld bijeen en golvend werd het hele universum ermee opgevuld.

Dit beeld, wat ik vaker gebruik, is voor mij 'n wezenlijk begin van het universum en laat duidelijk zien, hoe de fundamentele krachten het vroege heelal opvulden.

Van de allergrootste heelalstructuur in het vorige hoofdstuk ga ik nu beginnen met de allerkleinste structuur van leven, die we op Aarde kennen. Ik ben er van overtuigd, dat deze levensvorm op de vele miljarden planeten, ook in staat zijn het magnetische veld van hun planeet te detecteren om richting en locatie te kunnen bepalen.

Magnetobacteriën of beter Magnetotactische bacteriën

Dit waren, hier op Aarde, de eerste organismen met magnetoreceptie, het vermogen in staat te zijn het aardmagnetische veld  te detecteren om richting en locatie te kunnen bepalen. Zij hebben als eersten dit magnetisch systeem voor levende wezens weten te gebruiken, dat in het universum gewoon aanwezig was.

Recente genetische studies over de magnetiet producerende magnetotactische bacteriën geven aan, dat genen die de magnetosoom-vorming regelen, evolueerden in het bacteriële domein. Deze bacteriën mineraliseren ijzeroxide, die kristallen van magnetiet (Fe3 O4 ) bevatten. De magnetosomen vormen een ketting, die werkt als een kompasnaald om de bacteriën in geomagnetische velden te oriënteren. Hierdoor wordt hun zoektocht naar hun favoriete omgevingen tijdens het zwemmen vereenvoudigd.

 

Deze bacteriën mineraliseren ijzeroxide, die kristallen van magnetiet (Fe3 O4 ) bevatten. De magnetosomen vormen een ketting, die werkt als een kompasnaald om de bacteriën in geomagnetische velden te oriënteren. Hierdoor wordt hun zoektocht naar hun favoriete omgevingen tijdens het zwemmen magnetobacteriën bacteriën (MTB) worden aangetroffen in gebieden met een lage zuurstofdruk. Die van het noordelijk halfrond zoeken naar het noorden, terwijl die van het zuidelijk halfrond naar het zuiden zoeken. De tegengestelde polariteit van hun interne magneten stelt beide typen in staat om naar de diepere, minder zuurstofrijke gebieden van hun waterige omgeving te reizen.

Magnetotactische bacteriën zijn pas in 1975 ontdekt door de Amerikaanse onderzoeker Ritchie Blackmore. De reden voor deze late ontdekking is dat magnetotactische bacteriën weliswaar in grote aantallen in de oceanen voorkomen, maar zeer slecht te kweken zijn in een laboratorium. Zoals de chemische formule (Fe3 O4 ) laat zien, bevat magnetiet een groot percentage ijzer en daardoor reageert het op het aardmagnetisch veld, eigenlijk net als de naald van een kompas.

IJzer is vooral belangrijk in magnetotactische bacteriën, niet alleen omdat ijzer fungeert als katalysator voor talrijke metabolische routes, maar ook omdat deze micro-organismen grote hoeveelheden ijzer opnemen in de vorm van mineraalkristallen in hun cellen

Hoe de bacteriën het magnetiet kunnen aanmaken, is een raadsel dat nog geen enkele onderzoeker heeft kunnen ontrafelen (zie verderop). De Fe3 O4-kristallen moeten namelijk perfect symmetrisch worden gestapeld. Een verkeerde stapeling leidt tot de vorming van een kristal dat helemaal geen ijzer bevat en dus niet gevoelig is voor magnetische velden. Bovendien is er sprake van een zeer delicaat massa-evenwicht: maakt de bacterie te weinig magnetiet dan is de aantrekking door de pool te klein en komt de bacterie niet vooruit; als er teveel magnetiet wordt opgeslagen, dan wordt de soortelijke dichtheid van de bacterie te groot en zinkt dan!

  • Sommige materialen in levende organismen zijn ferromagnetisch
  • Magnetosomen vormen een reeks (draaibare) magneetjes
  • Hun richting Z ➛N wordt bijgestuurd door het aardmagnetisch veld.
  • Dit mechanisme kennen we nu als wat er gebeurt in 'Weiss-gebieden': microscopisch kleine gemagnetiseerde domeinen in  kristallen

Micro-organismen worden niet in centimeters of millimeters gemeten, maar in micrometers (µm, één duizendste millimeter) of zelfs in nanometers (nm, één miljoenste millimeter).

IJzerdeeltjes worden door deze bacteriën omgezet in magnetiet om als magnetische kompas voor hun oriëntatie te gebruiken. De magneetkristalletjes hebben een diameter van slechts 40 nanometer.

Er is voornamelijk Engelstalig studiemateriaal te vinden, die het mysterie rond de minuscule minerale kristallen in de cellen van deze bacteriën trachten te verklaren. Ik vond 'n groot aantal Pdf bestanden en vele uittreksels, bestemd voor leden. Ik mag die niet zomaar, zonder betaling of toestemming gaan vertalen en publiceren.

 

De vorming van magnetosomen wordt bereikt door een biologisch mechanisme dat de concentratie van ijzer en de biomineralisatie van magnetische kristallen met een karakteristieke grootte en morfologie in membraanblaasjes regelt. Hoewel de wetenschap het "zesde zintuig" bij dieren nog steeds niet kan verklaren, wordt het bij bacteriën al gedeeltelijk begrepen. 

Het volgende persbericht van de universiteit van Beiroet licht een tipje van de geheimzinnige sluier op (met vertaling):

University/press-releases/2019/-magnetic-bacteria.

De vorming van magnetosomen wordt bereikt door een biologisch mechanisme dat de accumulatie van ijzer en de biomineralisatie van magnetische kristallen met een karakteristieke grootte en morfologie in membraanblaasjes regelt.

Elke bacterie vormt in zijn cel maximaal 50 magnetosomen, die aan een draadachtige structuur zijn bevestigd. Deze aanhechting zorgt ervoor dat de magnetietkristallen niet samenklonteren als gevolg van hun eigen magnetische aantrekkingskracht, maar in een lijn komen te liggen en zo de functie aannemen van een kompasnaald.

Het was echter een raadsel waarom deze flexibele ketting van magnetosomen zo'n stabiele, lineaire vorm aannam - terwijl de bacteriële cel een spiraalvorm aannam. Bovendien werden bij sommige bacteriën korte magnetosoomketen waargenomen, die zich kennelijk vormden zonder de reeds bekende draadstructuur.

De aanname was daarom dat er een ander ondersteunend eiwit moest zijn dat magnetotactische bacteriën zou helpen bij het maken van hun kompasnaald. Het onderzoeksteam van de Universiteit van Bayreuth heeft dit eiwit nu ontdekt. Experimenten met zeer gevoelige instrumenten en methoden, hebben het aangetoond:

In deze micro-organismen zijn genen die coderen voor magnetosome membraaneiwitten, evenals genen die betrokken zijn bij de constructie van de magnetiet-magnetosoomketen.

Het membraangebonden eiwit 'Mam Y' veroorzaakt niet alleen de rechtlijnige ordening van de magnetosoomketen, maar plaatst deze ketting ook in de bacteriële cel in een positie geoptimaliseerd voor de uitlijning van de zwembewegingen met het aardmagnetische veld, dus exact evenwijdig aan de lengteas van de cel. MamY is a membrane-bound protein 

In hun publicatie laten de onderzoekers ook zien hoe het structurele eiwit MamY erin slaagt de staafvormige kompasnaald in de spiraalvormige bacteriecel te plaatsen. Het herkent de gebieden waar het kromlijnige celoppervlak de sterkste kromming heeft. Hiermee markeert het de kortste verbinding tussen de twee uiteinden van de cel, de zogenaamde "geodetische as". De magnetosoomketting wordt hier dan verankerd. Hierdoor kan de bacterie met grote precisie langs het aardmagnetische veld bewegen.

Links: Het membraangebonden eiwit 'Mam Y' (blauw) veroorzaakt niet alleen de rechtlijnige ordening van de magnetosoomketen, maar plaatst deze ketting ook in de bacteriële cel in een positie geoptimaliseerd voor de uitlijning van de zwembewegingen met het aardmagnetische veld.

Boven

Foto's elektronenmicroscoop van magnetietmagnetosomen in ketens in cellen van verschillende magnetotactische bacteriën.

The Bacteria That Make Perfect Tiny Magnets
MP4 bestand – 26,7 MB 51 downloads
Following Magnetic Field Lines
MP4 bestand – 3,3 MB 44 downloads

Bron van het nu volgende: Academic/article/On the origin of microbial magnetoreception

Zoals hierboven al beschreven, hebben een breed scala aan organismen, van eencelligen tot hogere dieren, het vermogen om het aardmagnetische veld waar te nemen en te gebruiken. Hoewel onze kennis van de fysiologische mechanismen hiervan de afgelopen decennia aanzienlijk is toegenomen, blijft de oorsprong van dit gedrag een fundamentele vraag in de evolutiebiologie.

Er komen steeds meer aanwijzingen dat magnetische biosynthese van ijzermineralen door prokaryoten de vroegste vorm van biogene magnetische sensoren op Aarde kan zijn, zoals hierboven al beschreven. Dit op ijzer gebaseerde systeem is geleidelijk gaan dienen als een magnetische sensor voor magnetoreceptie in micro-organismen, wat duidt op een oorsprong van microbiële magnetoreceptie als resultaat van een evolutionaire proces van exaptatie (verandering in functie van een bepaalde structuur).

De magnetosfeer van de Aarde beschermt de oppervlakteomgeving tegen zonnewind en kosmische straling, en is daaróm ook een ​​essentiële factor geweest in het voortbestaan ​​van het leven op Aarde. Het heeft dus kennelijk óók gezorgd voor een natuurlijk globaal positioneringssysteem dat verschillende organismen hebben gebruikt voor navigatie en migratie via de genetisch gecontroleerde biomineralisatie van ferromagnetische ijzermineralen. Dit suggereert dat het een primair sensorisch systeem was van alle levende systemen, dus van alle organismen op onze planeet!

Magnetotactische bacteriën zijn de meest primitieve magnetisch-detecterende organismen die tot nu toe bekend zijn. Naast de MTB (magnetotactische bacteriën) zijn magnetosoom-achtige structuren ontdekt in eukaryote algen. 

Dit leidde ertoe, dat Joseph Kirschvink en z'n team suggereerden dat de allereerste eukaryoten mogelijk het vermogen hebben geërfd om magnetosomen te biomineraliseren van magnetotactische bacteriën tijdens de endosymbiotische ontwikkeling van mitochondriën, met daaropvolgende genoverdracht naar de kern.

Er is vervolgens aangetoond dat de MTB belangrijk zijn in de wereldwijde biogeochemische cycli van ijzer en ook van andere elementen, zoals zwavel, stikstof, koolstof en fosfor. In sommige omgevingen worden magnetosomen van MTB in sedimenten of gesteenten bewaard als fossielen. Deze magnetofossielen duiden op een evolutionaire geschiedenis van MTB tot het Krijt en mogelijk zelfs tot in het Precambrium, zo’n 2 miljard jaar geleden. Moleculaire en genetische studies in magnetotactische bacteriën hebben geleid tot de identificatie van een groot ‘gencluster’, dat een groep genen bevat die betrokken zijn bij magnetosoom-biomineralisatie en bij de constructie van magnetosoom-ketens.

Mensen werden tot voor kort niet verondersteld een magnetisch gevoel te hebben, maar zouden wel een cryptochroom (een flavoproteïne, CRY2) hebben in het netvlies dat een lichtafhankelijke magnetogevoeligheid heeft. CRY2 heeft het moleculaire vermogen om te functioneren als een lichtgevoelige magnetosensor. Een flavoproteïne is een eiwit dat altijd een gele kleurstof bevat en werkt als een enzym. Het menselijk oog (het netvlies) bevat ook het cryptochroom-eiwit dat een zekere mate van magnetoceptie mogelijk zou maken.

Can Humans Sense Magnetic Fields
MP4 bestand – 24,1 MB 55 downloads

In een studie-experiment dat in 2019 is uitgevoerd door geowetenschappers en neurobiologen van Caltech en de Universiteit van Tokio o.l.v. Joseph Kirschvink, werd aan 34 deelnemers gevraagd om één voor één in een testkamer (een soort van kooi van Faraday ) plaats te nemen, terwijl de elektrische activiteit in hun hersenen (vanaf elektroden die aan hun hoofdhuid waren bevestigd)  geregistreerd werd met elektro-encefalografie (EEG).

Normaal gesproken, wanneer iemand zijn hoofd draait - bijvoorbeeld door op en neer te knikken of het hoofd van links naar rechts te draaien - zal de richting van het aardmagnetische veld (dat constant blijft in de ruimte) verschuiven ten opzichte van hun schedel. Dit is geen verrassing voor de hersenen van de proefpersoon, aangezien het de spieren in de eerste plaats de opdracht gaf om het hoofd op de juiste manier te bewegen.

In de testkamer kan het magnetische veld geruisloos verplaatst worden ten opzichte van de hersenen, maar zonder dat de hersenen een signaal krijgen om het hoofd te bewegen. (Dit is vergelijkbaar met situaties waarin je hoofd of romp passief wordt gedraaid door iemand anders, of wanneer je een passagier bent in een voertuig dat roteert).  Toen het magnetisch veld in de testkamer verschoven werd, ervoeren de deelnemers geen duidelijke gevoelsveranderingen. De EEG-gegevens onthulden echter dat bepaalde magnetische veldrotaties weldegelijk sterke hersenreacties veroorzaakten. 

Deze studie heeft dus aangetoond dat het menselijk brein op een onbewust niveau reageert op veranderingen in de magnetische velden van de aarde. Dit zou aan kunnen tonen dat mensen nog steeds een natuurlijk 'kompas' hebben dat onze nomadische voorouders hielp om over de aarde te navigeren, hoofdzakelijk om water en voedsel te vinden.

Water en voedsel hebben wij in deze huidige tijd, normaal gesproken, binnen handbereik. Wij zijn echter voortdurend opzoek om informatie te vinden! Om uit 'n overdosis aan informatie, de juiste en de meest betrouwbare te kiezen, 'verliezen wij zo nu en dan wel eens het noorden'.