Минерализация ферромагнитной фазы в онтогенезе пчел

В последние годы возрос интерес к биологическим эффектам постоянных низкочастотных магнитных полей. Влияние естественного магнитного поля Земли на биосистемы различных уровней организации велико, т.к. с момента своего возникновения и по сей день организмы находятся под воздействием этого всепроникающего и всеохватывающего экологического фактора.

Многие живые организмы, в том числе и медоносные пчелы, способны к биоминерализации железа. Ученые рассматривают этот процесс как один из механизмов депонирования железа в организме в аэробных условиях, когда потребность в железе велика, а транспорт элемента внутрь клеток затруднен. Согласно другой гипотезе, биоминерализацию железа можно рассматривать как один из механизмов экскреции элемента: при этом у клетки появляется возможность в сравнительно небольшом объеме накапливать значительное количество железа в химически инертной форме [1, 2].

Удобным объектом в магнитобиологических исследованиях является медоносная пчела. Большинство проведенных экспериментов позволили установить лишь факт магниточувствительности пчел, однако тонкие механизмы восприятия магнитных полей остаются малоизученными. Были предложены различные гипотезы, объясняющие высокую магниточувствительность пчел и ряда других организмов. На сегодняшний день предпочтение отдается «магнетитовой гипотезе», предполагающей, что в основе магниторецепции бактерий и большинства наземных организмов лежит взаимодействие внешнего магнитного поля с кристаллами магнетита - биогенного железосодержащего соединения Fe3O4, обладающего свойствами феррита [3]. Все биогенные железосодержащие минералы, за исключением магнетита, обладают парамагнитными свойствами.

Следует отметить, что магнетит - единственный известный биогенный материал, обладающий ферромагнитными свойствами. Это свойство дает дополнительные преимущества организмам, способным к биосинтезу магнетита: магнитные включения на основе железа позволяют им использовать магнитное поле Земли для ориентации в пространстве и времени. Такой механизм магниторецепции, по-видимому, реализуется и у медоносных пчел.

Механизмы и динамика образования магнетита в онтогенезе пчел остаются невыясненными. Гоулд и др. [4] зарегистрировали появление ферромагнитного материала на стадии поздней куколки, однако о точном возрасте куколок, обладающих ферромагнитной фазой, в работе [4] не сообщается. Осталась не выявленной и степень биологического контроля над динамикой образования ферромагнитного материала. В частности, неизвестно, какую роль в онтогенезе биоминерализации железа играют такие факторы, как магнитные поля и поступление железа. Экспериментов, направленных на исследование минерализации железа в условиях искаженного геомагнитного поля и повышенного поступления железа в организм, ранее не проводилось.

Нами впервые проведены комплексные исследования, связанные с обменом железа в организме пчел. Полученные результаты приведены в данной работе.

Задачи исследования сгруппированы следующим образом:

1. Разработка экспериментальной установки для регистрации малых магнитных моментов и расчет ее характеристик.
2. Определение этапа в онтогенезе пчел, на котором начинается образование железосодержащей магнитоупорядоченной фазы - магнетита (регистрация стадии появления магнетита в онтогенезе).
3. Исследование влияния избыточного поступления железа в организм пчел на начало минерализации ферромагнитной фазы в онтогенезе.
4. Изучение влияния магнитных полей на начало биосинтеза ферромагнитного материала в онтогенезе пчел.

Образцами для исследования служили взрослые насекомые, а также особи, находящиеся на предимагинальных стадиях развития (непечатный и печатный расплод), отобранные из контрольной и опытных семей.

Пчелы контрольной группы №1 развивались в естественных условиях: им не вводили в корм каких-либо железосодержащих добавок, и на протяжении всей жизни они находились в условиях неискаженного геомагнитного поля. Пчелы из групп №№ 2, 3 содержались в условиях повышенного поступления железа в организм (в 5 и 10 раз по сравнению с нормой, соответственно) на протяжении 2 месяцев. Пчелы группы № 4 развивались в условиях гипогеомагнитного поля, а групп №№ 5, 6, 7 - наоборот, в условиях, когда магнитное поле Земли было усилено в 2, 5 и 10 раз соответственно.

Методика исследований.

1) Измерение магнитного момента.

Появление в организме развивающихся особей кристаллов ферромагнитной фазы регистрировалось путем магнитометрических исследований пчел, находящихся на разных стадиях онтогенеза, пондеромоторным методом.

Пондеромоторный метод дает возможность определять магнитные характеристики (в частности, магнитный момент) образца при помощи измерения силы, которая действует на образец, помещенный в магнитное поле. Достаточно высокая чувствительность позволяет широко использовать метод для исследования слабомагнитных образцов [5].

Магнитный диполь (в данном случае - образец, тело пчелы), помещенный в однородное магнитное поле под произвольным углом к силовым линиям этого поля испытывает момент вращения до тех пор, пока не повернется, а его магнитный момент не окажется коллинеарным к силовым линиям магнитного поля [6].
Магнитный момент вращения, действующий на диполь (образец), выражается уравнением:

М_вр = μ₀ * Н * М * sin α, (1)

где μ₀ - магнитная постоянная (4π * 10^-7 Гн * м^-1 или 12,56 * 10^-7 м * к г* с^-2 * А^-2)

Н - напряженность магнитного поля, А * м^-1

α - магнитный момент образца, А * м ²

а - угол между направлением вектора магнитного момента образца и вектора магнитного поля.

При α = 0° (направления вектора магнитного момента образца и вектора внешнего магнитного поля совпадают) sin α = 0, соответственно, М_вр = 0. При α = 90° (направления вектора магнитного момента образца перпендикулярно направлению вектора внешнего магнитного поля) sin а = 1, а магнитный момент вращения Мвр принимает макси мальное значение.

Магнитное поле создавалось электромагнитом ЭМ-1, соединенным последовательно с амперметром, резистором и блоком питания (рис.1). Расстояние между полюсами электромагнита составляло 2 см. При таком зазоре напряженность поля между полюсами достигала 10⁸ А * м^-1.

Рис. 1. Экспериментальная установка для регистрации магнитного момента.

Крутящий момент подвеса описывается формулой:

М_кр = φ * g * G * J_p / l, (2)

где φ - угол закручивания подвеса;

g - ускорение свободного падения (g = 9,8 * м * с ²);

G - модуль сдвига, кг * мм ^-2;

J_р - полярный момент инерции, мм^-4;

l - длина подвеса, м.

Полярный момент инерции J_р зависит от радиуса подвеса R: J_p = π R⁴ / 2

В установке диаметр проволоки был выбран равным 6 * 10^-5 м соответственно, полярный момент инерции, вычисленный по вышеприведенной формуле, составил 1,272 * 10^-18 м^-4, а длина подвеса - 2,5 м.

Учитывая эти параметры, по формуле (2) можно вычислить крутящий момент, который создается при закручивании подвеса на угол 0,1 рад.

М_кр = 2,1 * 10^-9 кг * м² * с^-2.

Следует иметь ввиду, что, когда момент вращения образца Мвр, создаваемый магнитными силами, равен крутящему моменту подвеса, система приходит в равновесие, то есть:

М_вр = М_кр (3)

μ₀ * H * M * sin α = Мкр (4)

Из уравнения (4) следует

М = М_кр / μ₀ * Н * sin α (5)

Из (5) можно определить максимальную чувствительность экспериментальной установки к величине магнитного момента М образца, которая наступает при sin α = 1.

Подставляя в уравнение (5) Н = 10⁸ А * м^-1, α = 90° и М_кр = 2,1 * 10^-9 кг * м² * с^-2, найдем порог чувствительности установки по магнитному моменту:

М_ПОРОГ = 1,67 * 10^-11 А * м² (6)

Сравнивая результаты наших измерений и измерений Гоулда, можно сказать, что пондеромоторный метод не уступает по чувствительности СКВИД-магнитометру.

2) Генерирование внешнего магнитного поля.

Устройством для создания магнитных полей, напряженность которых можно было бы менять внутри клуба пчел, стали трехмерные катушки Гельмгольца - три пары взаимно перпендикулярных катушек (X, Y, Z), конструктивно соединенные между собой в один блок («куб») и подключенных к источнику питания. Квадратные катушки Гельмгольца обычно используются для создания в сравнительно большом объеме пространства однородных магнитных полей (отклонения значений поля в различных точках пространства внутри системы катушек от поля в ее центре не превышают 5 %). На рис. 2. показан внешний вид трехмерных квадратных катушек Г ельмгольца, применявшихся в опытах.

Система катушек в сборе представляет собой куб объемом V = (390*390*390) мм = 59319000 мм³ = 0,0593 м³ . Полученный объем необходим и достаточен для создания однородного магнитного поля внутри двух корпусов улья модифицированной альпийской конструкции.

Рис. 2. Экспериментальная пасека: трехмерные катушки Гельмгольца генерируют магнитные поля внутри ульев.

3) Влияние концентрации железа.

Поддерживать поступление элемента в течение длительного времени на постоянном уровне по ряду объективных причин довольно сложно. Во- первых, трудно отслеживать концентрацию железа в приносимом пчелами нектаре. Во-вторых, количество приносимого в улей нектара каждый день меняется: это зависит от погодных условий, состояния пчелиной семьи, нектаропродуктивности медоносной флоры и многих других факторов. В- третьих, пчелы могут потреблять находящиеся в улье запасы меда и перги, а химический состав этих продуктов, собранных в разное время и с разных растений, может существенно отличаться. Иначе говоря, трудно точно оценить количество корма, употребленного пчелами в тот или иной день; тем более, сложно определить его химический состав.

Для поддержания постоянных доз железа в рационе необходимо ограничить летную активность пчел (чтобы исключить всякое попадание железа из внешней среды), устранить из улья созданные ранее запасы меда и перги и перейти на искусственные корма со специально подобранной концентрацией железа. Однако, такие меры неизбежно повлекут за собой изменение нормальной жизнедеятельности семьи. Во-первых, для питания расплода необходимы мед и пыльца, и изъятие их из семьи может отразиться на развитии расплода.

Во-вторых, это может привести к нарушениям обмена веществ в организме пчел, связанным с недостатком в корме биогенных элементов, витаминов и т.д., с невозможностью выведения веществ из организма, с изменением энергозатрат, изменением микроклимата в улье. В результате может оказаться нарушенным обмен железа в организме пчел.

Таблица 1. Регистрация стадии появления ферромагнитной фазы в онтогенезе пчел

стадия	возраст(сут.)	семья (группа пчел)
		1 контр	2 Fe*5	3 Fe*10	4 H=0	5 H*2	6 H*5	7 H*10
имаго		+	+	+	+	+	+	+
куколка	21	+	+	+	+	+	+	+
	20	+	+	+	+	+	+	+
	19	+	+	+	+	+	+	+
	18	+	+	+	+	+	+	+
	17	+	+	+	+	+	+	+
	16	+	+	+	+	+	+	+
	15	+	+	+	+	+	+	+
	14	+	+	+	+	+	+	+
	13	+	+	+	+	+	+	+
	12	+	+	+	+	+	+	+
предку-колка	11	+	+	+	-	+	+	+
	10	+	+	+	-	+	+	+
личинка	9	-	+	+	-	-	-	-
	8	-	+	+	-	-	-	-
	7	-	-	-	-	-	-	-
	6	-	-	-	-	-	-	-
	5	-	-	-	-	-	-	-
	4	-	-	-	-	-	-	-
яйцо	3	-	-	-	-	-	-	-
	2	-	-	-	-	-	-	-
	1	-	-	-	-	-	-	-

 

Исходя из этих соображений, мы отказались от ограничения летной активности пчел, от изъятия из ульев меда и перги и полного перехода на искусственный корм. Однако мы ежесуточно вводили в контрольные и экспериментальные семьи определенное количество (500 мл) сиропа с известной (относительно постоянной) концентрацией железа. Сироп состоял из сахара (50 %), воды (40 %) и молока (10 %).

Семья № 1 (контрольная) ежедневно получала 500 мл сиропа без каких-либо специальных железосодержащих добавок. Семья № 2 получала 500 мл сиропа, в который вводили раствор FeCl₃. Концентрация элемента в растворе превышала контрольный уровень примерно в 5. Семья № 3 потребляла сироп с добавками FeCl₃, уровень железа в котором почти в 10 раз превышал норму.

Суточное поступление железа в семьи (а также углеводов, белков) обеспечивалось, главным образом, введением сиропа. Тем не менее, некоторое количество элемента могло поступать вместе с потребляемым естественным кормом (медом, пыльцой) и приносимой в улей водой. Однако эта часть железа составляла так называемый «фоновый уровень», который в контрольных и опытных семьях был одинаковым.

Пондеромоторным методом удалось зарегистрировать наличие магнитного момента у взрослых пчел и куколок всех групп. Образцы в виде подготовленных для измерений предкуколок (пчел, возраст которых составляет 10-11 суток) также в большинстве случаев поворачивались в магнитном поле (исключая образцы седьмой группы, содержавшихся в условиях скомпенсированного геомагнитного поля). У пчел на стадии открытого расплода (личинок и яиц) магнитный материал зарегистрировать не удалось. Исключение составляют насекомые 5 и 6 группы, развивавшиеся в условиях повышенного поступления железа в организм. У них наличие магнитного момента было зарегистрировано на поздней личиночной стадии (8 - 9 сутки с момента откладки яиц).

Как следует из результатов экспериментов, биоминерализация железа и формирование магнитоупорядоченного соединения магнетита начинается еще на предимагинальных стадиях развития пчел. Это согласуется с данными Дж. Гоулда [4], определившего методом СКВИД-магнитометрии остаточный магнитный момент и момент насыщения у куколок старшего возраста. Аналогичные исследования, проведенные на бабочках-данаидах, также позволили предположить, что небольшое, но значимое количество магнитного материала синтезируется в переходный период от личинки к взрослой особи [7]. Полученные опытные данные свидетельствуют о том, что в норме заметным магнитным моментом обладают имаго, куколки и предкуколки рабочих пчел (табл. 1).

Процесс формирования ферромагнитной фазы изменяется в условиях избыточного поступления железа в организм развивающихся пчел (семьи №№ 2, 3). Так, в ходе экспериментов было установлено, что заметным магнитным моментом обладают особи на поздней личиночной стадии (8-9-ые сутки с момента откладки яиц).
На первый взгляд, это связано с высокой концентрацией железа в тканях личинок [8, 9] и биологической необходимостью поддержания гомеостаза элемента. Например, путем сохранения его в химически инертной форме (Fe₃O₄). Однако, однозначной связи между концентрацией железа в теле особей и началом минерализации ферромагнитной фазы не было отмечено. В естественных условиях появление ферромагнитной фазы пчел зарегистрировано на 10-11-ые сутки с момента откладки яиц. У пчел 2-й и 3-й групп (развивавшихся в условиях повышенного поступления железа) сопоставимый уровень железа в тканях достигается уже на пятые сутки развития. Однако, наличие ферромагнитной фазы отмечено лишь на 8-9-й день.

В условиях гипергеомагнитного поля (семьи №№ 5, 6, 7) процессы формирования ферромагнитной фазы в теле пчел не претерпевают сколько- нибудь заметных изменений. Отмечено, что их образование, как и в естественных условиях, начинается на стадии предкуколки (10-11-ые сутки с момента откладки яиц), несмотря на то, что уровень железа в тканях стабилизируется уже на 6-7-й день развития.

У пчел, развивавшихся в гипогеомагнитном поле (семья №4), удалось зарегистрировать ферромагнитую фазу лишь на стадии куколки (начиная с 12-х суток с момента откладки яиц).

Полученные результаты могут быть обусловлены как отсутствием (или малым содержанием) ферромагнитной фазы в образце, так и взаимным расположением кристаллов в тканях пчел, при котором суммарный магнитный момент равен нулю. Не исключено, что внешнее магнитное поле оказывает «направляющее» действие на рост кристаллов, а в отсутствии поля (при его компенсации) рост кристаллов становится неупорядоченным и возможен во всех направлениях, что и приводит к тому, что суммарный магнитный момент равен нулю. Однако, на стадиях куколки и имаго, все же удается зарегистрировать наличие магнитного момента.

Выводы

1. В естественных условиях появление ферромагнитной фазы в онтогенезе отмечено на стадии предкуколки (10-11-ые сутки с момента откладки яиц).
2. Экспериментально доказано, что на процесс минерализации могут оказывать влияние внешние магнитные поля и концентрация железа в корме.
3. В условиях повышенного поступления железа минерализация ферромагнитного материала начинается на личиночной стадии (8-9-й день).
4. Гипергеомагнитные поля не оказывают заметного влияния на начало образования магнитного материала в онтогенезе пчел.
5. У пчел, развивающихся в условиях скомпенсированного геомагнитного поля, появление ферромагнитной фазы зарегистрировано на стадии куколки (12-ые сутки с момента откладки яиц).

Г.В. Ломаев, Н.В. Бондарева
ГОУ ВПО Ижевский Государственный Технический Университет

Литература:

1. Степанов В.А., Ломаев Г.В. Особенности исследования магнитного поля насекомых // Высокие технологии в механике: Материалы научн.- практ. конф. (Ижевск, 2002). - С. 73.
2. Щербинин В.Е., Горкунов Э.С. Магнитный контроль качества металлов. Екатеринбург: УрО РАН. - 1996. - 262 с.
3. Биогенный магнетит и магниторецепция. Новое о биомагнетизме. В 2-х т. /Пер. с англ. - М.: Мир, 1989. - 576 с.
4. Бондарева Н.В. О метаболизме тяжелых металлов в организме пчел // Современные технологии в пчеловодстве: Мат. н.-практ. конф. (Рыбное, 2003). - Рыбное: НИИП, 2004. - С. 126 - 130.
5. Ломаев Г.В., Бондарева Н.В. Динамика накопления железа в теле пчелы и продуктах ее жизнедеятельности // Вопросы экологии и природопользования в аграрном секторе: Мат. Всерос. научн. -практ. конф. (Ижевск, 2003). М.: АНК, 2003. - С. 171 -180.