鳥の鉄ミネラルベースの磁気受容体モデルの理論分析

磁場の感知は、長年にわたってさまざまな動物のナビゲーションと方向の重要な部分として確立されてきました。最近になって、組織学的および物理的結果に基づいて、磁性受容の最初の詳細な受容体概念が公開されました。考慮されたメカニズムには、いくつかの鳥種の上部くちばしの感覚樹状突起内の細胞内コンパートメントに見られる2種類の鉄ミネラル（マグネタイトとマグヘマイト）が含まれます。しかし、これまでのところ、提案された受容体の定量的評価が欠落しています。この記事では、鉄ミネラルを含む粒子間の磁場効果を定量的かつ定性的に説明する理論モデルを開発します。これらの細胞内コンパートメント間で作用する力の分析は、外部磁場の方向に特に依存していることを示しています。くちばしの鉄鉱物は、結晶性マグヘマイトの血小板とマグネタイトナノ粒子の集合体の形で見られます。細胞膜に接続されているマグネタイトアセンブリへのプルまたはプッシュが0.2 PNの値に達する可能性があることを実証します。これは、神経細胞の特定の機械受容膜チャネルを励起するのに十分です。鳥類のくちばし皮膚における想定される磁気受容体システムの理論的分析は、ナビゲーションのために磁気マップの重要な部分を提供する敏感な生物学的磁力計である可能性があることを明確に示しています。

Sensing the magnetic field has been established as an essential part of navigation and orientation of various animals for many years. Only recently has the first detailed receptor concept for magnetoreception been published based on histological and physical results. The considered mechanism involves two types of iron minerals (magnetite and maghemite) that were found in subcellular compartments within sensory dendrites of the upper beak of several bird species. But so far a quantitative evaluation of the proposed receptor is missing. In this article, we develop a theoretical model to quantitatively and qualitatively describe the magnetic field effects among particles containing iron minerals. The analysis of forces acting between these subcellular compartments shows a particular dependence on the orientation of the external magnetic field. The iron minerals in the beak are found in the form of crystalline maghemite platelets and assemblies of magnetite nanoparticles. We demonstrate that the pull or push to the magnetite assemblies, which are connected to the cell membrane, may reach a value of 0.2 pN -- sufficient to excite specific mechanoreceptive membrane channels in the nerve cell. The theoretical analysis of the assumed magnetoreceptor system in the avian beak skin clearly shows that it might indeed be a sensitive biological magnetometer providing an essential part of the magnetic map for navigation.