Magnetorecepção: evidencias de comportamento Dr. Daniel Acosta Avalos Magnétismo Biológico Escola de Verão – CBPF 2006

Magnetorecepção: evidencias Magnetorecepção: evidencias de comportamentode comportamento

Dr. Daniel Acosta AvalosDr. Daniel Acosta Avalos

““Magnétismo Biológico”Magnétismo Biológico”

Escola de Verão – CBPFEscola de Verão – CBPF

20062006

Detecção passiva de campos Detecção passiva de campos magnéticos: magnetotaxiamagnéticos: magnetotaxia

Em 1970, Richard Em 1970, Richard Blakemore Blakemore descobre por descobre por acidente um tipo acidente um tipo de bactéria que de bactéria que responde ao responde ao campo campo geomagnético.geomagnético.

Detecção passiva de campos magnéticos: Detecção passiva de campos magnéticos: magnetotaxiamagnetotaxia

No seu interior: cadeias de partículas No seu interior: cadeias de partículas magnéticas,envolvidas por uma membrana. Estas magnéticas,envolvidas por uma membrana. Estas bactérias se movimentam através de flagelos.bactérias se movimentam através de flagelos.

Cepa marinha MV-4 Cepa marinha MC-1

Detecção passiva de Detecção passiva de campos magnéticos: campos magnéticos:

magnetotaxiamagnetotaxia

Este tipo de bacteria é “selvagem”,ou seja, não existem culturas de estas cepas . Até hoje, somente existem no mundo algumas cepas emcultura. O problema: um meio decultura efetivo.

Características gerais das Características gerais das bactérias magnéticasbactérias magnéticas


CristaisCristais


MagnetossomaMagnetossoma


Forma cristalinaForma cristalina


Forma cristalinaForma cristalina


Campo magnético no magnetossomaCampo magnético no magnetossoma


Procarionte multicelularProcarionte multicelular


Microscopia eletrônica de varredura

Microscopia Confocal

Microscopia Eletrônica de Transmissão

Imagens realizadas pelo grupo dos Profs. Marcos Farina e Ulisses Lins.

Detecção passiva de Detecção passiva de campos magnéticos: campos magnéticos:


M. bavaricumM. bavaricum



Magnetotaxia: para que?Foram identificados dois tipos de bacterias, segundo a orientaçãodo momento magnético da cadeia com respeito aos flagelos: as tipos Norte e as tipo Sul.

Detecção passiva Detecção passiva de campos de campos magnéticos: magnéticos:



Podem ser coletados em lagoas e riachos, como em Podem ser coletados em lagoas e riachos, como em Iguaba, que fica na Região dos Lagos, Estado do Rio de Iguaba, que fica na Região dos Lagos, Estado do Rio de Janeiro.Janeiro.

Para isto, a equipe entra na água até a profundidade de Para isto, a equipe entra na água até a profundidade de aproximadamente 1m, são mergulhados recipientes até o aproximadamente 1m, são mergulhados recipientes até o fundo da lagoa, a fim de coletar amostras tanto de água fundo da lagoa, a fim de coletar amostras tanto de água quanto de areiaquanto de areia..


As amostras são colocadas em diferentes aquários de vidro, As amostras são colocadas em diferentes aquários de vidro, separadas, preferencialmente, de acordo com os pontos separadas, preferencialmente, de acordo com os pontos coletados.coletados.

As bactérias são coletadas após o acréscimo de um pouco de As bactérias são coletadas após o acréscimo de um pouco de areia e de água num concentrador magnético. areia e de água num concentrador magnético.

Após cerca de 20 minutos, utilizando um conta-gotas, uma Após cerca de 20 minutos, utilizando um conta-gotas, uma pequena quantidade de água da ponta do concentrador é pequena quantidade de água da ponta do concentrador é coletada para ser analisada no microscópio.coletada para ser analisada no microscópio.



Mais bacterias.....Mais bacterias.....

Instituto Oceanografico de Woods HoleInstituto Oceanografico de Woods Hole

Somente bacterias??Somente bacterias??

Somente bacterias??Somente bacterias??

Orientação espacial dos seres Orientação espacial dos seres vivosvivos

Quais os Quais os mecanismos de mecanismos de orientação que os orientação que os seres vivos usam seres vivos usam para deslocarse?para deslocarse?

Etologia = estudo Etologia = estudo do comportamento do comportamento animalanimal

Atualmente, a etologia Atualmente, a etologia é uma área de estudo é uma área de estudo multidisciplinar, porque multidisciplinar, porque envolve conhecimentos envolve conhecimentos sobre a biologia animal sobre a biologia animal e a física e química dos e a física e química dos estimulos ambientais estimulos ambientais que modificam o seu que modificam o seu comportamentocomportamento


Dois tipos de comportamento animal: Dois tipos de comportamento animal: migração e “homing” ou retorno ao ninho.migração e “homing” ou retorno ao ninho.

Em qualquer dos dois, mecanismos de Em qualquer dos dois, mecanismos de orientação complexos são usados para orientação complexos são usados para poder atingir o ponto final na jornada de poder atingir o ponto final na jornada de viagem.viagem.

Sentidos usados: visão, olfato, audiçãoSentidos usados: visão, olfato, audição Sentidos extras: deteção de campos Sentidos extras: deteção de campos

elétricos, campos magnéticos, campo elétricos, campos magnéticos, campo gravitacionalgravitacional


Principais referências de orientação:Principais referências de orientação: Posição do Sol no cêuPosição do Sol no cêu Polarização da luz solar no cêuPolarização da luz solar no cêu Direção do campo geomagnéticoDireção do campo geomagnético


Posição do Sol no cêu


Polarização da luz: propriedade vetorial do campo eletromagnético.Ela muda quando a luz atravessa diferentes meios inomogeneos, como é o caso da atmósfera terrestre.


Varias espécies de animais tem um Varias espécies de animais tem um comportamento migratório.comportamento migratório.

Um animal, na tarefa de procurar Um animal, na tarefa de procurar alimento ou de volta para casa alimento ou de volta para casa sempre tem que ter uma forma de sempre tem que ter uma forma de orientar-se no ambiente para saber orientar-se no ambiente para saber qual caminho deve seguir na volta.qual caminho deve seguir na volta.


Cataglyphis fortis:formiga que mora no deserto.Exemplo de volta ao ninho de uma formiga escoteira.


Para fazer um estudo de Para fazer um estudo de orientação, vários indivíduos de orientação, vários indivíduos de uma espécie animal são uma espécie animal são pesquisados, medindo-se o angulo pesquisados, medindo-se o angulo que eles tomam durante o inicio da que eles tomam durante o inicio da jornada, todo com respeito a um jornada, todo com respeito a um eixo de referencia que geralmente eixo de referencia que geralmente é o eixo Norte-Sul.é o eixo Norte-Sul.



A estatística utilizada para analisar A estatística utilizada para analisar ângulos é conhecida como Estatística ângulos é conhecida como Estatística Circular.Circular.

Porque usar uma estatística diferente??Porque usar uma estatística diferente?? Porque um ângulo corresponde com Porque um ângulo corresponde com

uma variável intervalar, cuja uma variável intervalar, cuja característica é que não tem um zero característica é que não tem um zero bem definido.bem definido.


0, 2


Por exemplo: sejam os ângulos 10o, 15o, 350o e 345o. Secalcula-mos o valor médio com a estatística linear teremos como ângulo médio 180o!!!

Angulo médio!!!


Para resolver este problema, Para resolver este problema, observamos que cada ângulo pode observamos que cada ângulo pode representar a posição de um vetor representar a posição de um vetor sobre um circulo unitário. Então, como sobre um circulo unitário. Então, como cada vetor tem duas projeções sobre cada vetor tem duas projeções sobre os eixos coordenados no plano, terá os eixos coordenados no plano, terá que ser feita a estatística com os que ser feita a estatística com os valores em cada eixo, onde existe um valores em cada eixo, onde existe um zero real. zero real.


x

y

x = cos( ) y = sen( )


Um conjunto de ângulos Um conjunto de ângulos

{{11, , 22, , 33, , 44,........,........NN}}

corresponde com os seguintes conjuntos:corresponde com os seguintes conjuntos:

{cos({cos(11), cos(), cos(22), cos(), cos(33),........., cos(),........., cos(NN)})}

{sen({sen(11), sen(), sen(22), sen(), sen(33),........., sen(),........., sen(NN)})}


Para calcular o ângulo médio do anterior Para calcular o ângulo médio do anterior conjunto de ângulos, precisamos calcular conjunto de ângulos, precisamos calcular as coordenadas x e y correspondentes as coordenadas x e y correspondentes com este ângulo médio.com este ângulo médio.


As coordenadas x e y são:As coordenadas x e y são:

Nx

N

kk

1

)cos(

N

seny

N

kk

1

)(


Com estas coordenadas calculamos o Com estas coordenadas calculamos o comprimento do vetor médio, representado comprimento do vetor médio, representado por por r r ::

22 yxr


O ângulo médio O ângulo médio mm é calculado com a é calculado com a seguinte relação:seguinte relação:

x

ym )tan(


mm é o ângulo que queríamos calcular. Qual é o é o ângulo que queríamos calcular. Qual é o significado do parâmetro significado do parâmetro rr ? ?

rr é uma medida da concentração dos ângulos é uma medida da concentração dos ângulos em volta de em volta de mm. Desta forma, podemos pensar . Desta forma, podemos pensar em 1 – em 1 – rr como uma medida de dispersão dos como uma medida de dispersão dos ângulos. Um valor ângulos. Um valor rr = 0 significa que os dados = 0 significa que os dados estão uniformemente distribuídos em volta da estão uniformemente distribuídos em volta da circunferência unitária. Valores próximos de 1 circunferência unitária. Valores próximos de 1 significam uma maior concentração em volta significam uma maior concentração em volta do ângulo médio.do ângulo médio.


Definimos a variância angular como:Definimos a variância angular como:

)1(22 rs E o desvio padrão circular, em graus, como:E o desvio padrão circular, em graus, como:

)1(2180

rs


O que acontece se a orientação não for O que acontece se a orientação não for numa direção fixa, mas ao longo de um numa direção fixa, mas ao longo de um eixo (orientação axial)?eixo (orientação axial)?

Neste caso a analise é feita com duas Neste caso a analise é feita com duas vezes cada ângulo:vezes cada ângulo:

q q 2q 2q se o ângulo resultante for menor se o ângulo resultante for menor que 360que 360oo fica o valor de q, se for maior fica o valor de q, se for maior que 360que 360oo ao resultado é subtraído 360 ao resultado é subtraído 360oo. O . O ângulo médio calculado será duas vezes o ângulo médio calculado será duas vezes o ângulo do eixo procurado.ângulo do eixo procurado.



Como sabemos que o ângulo medio Como sabemos que o ângulo medio calculado tem significância calculado tem significância estatística?estatística?

Para isto é feito o teste de Rayleigh:Para isto é feito o teste de Rayleigh:

É testada a hipotese nula de uma É testada a hipotese nula de uma distribuição uniforme entre 0 e 2distribuição uniforme entre 0 e 2 com r = 0.com r = 0.

Uso do campo geomagnético como Uso do campo geomagnético como fonte de orientação espacialfonte de orientação espacial

Como já foi dito ao discutirmos o Como já foi dito ao discutirmos o campo geomagnético, as linhas do campo geomagnético, as linhas do campo com igual intensidade, igual campo com igual intensidade, igual declinação, ou igual inclinação, declinação, ou igual inclinação, servem como referencia de servem como referencia de orientação em longas distancias. orientação em longas distancias. Porem, também podem servir como Porem, também podem servir como fonte de orientação local.fonte de orientação local.

Uso do campo geomagnético como Uso do campo geomagnético como fonte de orientação espacialfonte de orientação espacial

Os experimentos de orientação têm mostrado Os experimentos de orientação têm mostrado dois tipos de mecanismos:dois tipos de mecanismos:

1.1. O compasso magnético de polaridade: funciona como O compasso magnético de polaridade: funciona como uma bússola, permitindo detectar a componente uma bússola, permitindo detectar a componente horizontal do campo geomagnético que aponta no horizontal do campo geomagnético que aponta no sentido do Norte geográfico porem descompensado sentido do Norte geográfico porem descompensado pelo ângulo de declinação.pelo ângulo de declinação.

2.2. O compasso magnético de inclinação: neste casso o O compasso magnético de inclinação: neste casso o que é detectado é a inclinação geomagnética, ou que é detectado é a inclinação geomagnética, ou seja, o ângulo entre o vetor do campo geomagnético seja, o ângulo entre o vetor do campo geomagnético e a vertical. O ângulo de H com a horizontal: o menor e a vertical. O ângulo de H com a horizontal: o menor sempre aponta no sentido do equador geográfico e o sempre aponta no sentido do equador geográfico e o maior sempre aponto no sentido do pólo. maior sempre aponto no sentido do pólo.

PássarosPássaros

Pombos correio

PássarosPássaros

Em 1976 é feito um experimentoMedindo-se o ritmo cardíaco na presença de estímulos magnéticos e comparados com o ritmo cardíaco na presença de estímulos luminosos. O resultado foi nulo, concluindo-se que a detecção de campos magnéticos em aves devia ser mais complicada do que uma detecção por intensidades.

PássarosPássaros Correlação entre a precisão da Correlação entre a precisão da

orientação de pombos e o distúrbio orientação de pombos e o distúrbio magnético local provocado por magnético local provocado por anomalias no sitio do pombal localizado anomalias no sitio do pombal localizado em Lincoln, Massachusetts, USA.em Lincoln, Massachusetts, USA.

PássarosPássaros

Erros de orientação cometidos por Erros de orientação cometidos por pombos liberados em diferentes pombos liberados em diferentes sítios, longe do pombal situado no sítios, longe do pombal situado no centro da figura. O pombal se centro da figura. O pombal se encontrava em Ithaca, NY, USA.encontrava em Ithaca, NY, USA.

Os ângulos em preto significam Os ângulos em preto significam erros no sentido horário e os erros no sentido horário e os brancos no anti-horário.brancos no anti-horário.

As linhas vermelhas representam As linhas vermelhas representam linhas de igual intensidade linhas de igual intensidade geomagnética, e a linha azul geomagnética, e a linha azul representa o gradiente do campo representa o gradiente do campo geomagnético.geomagnético.

PássarosPássaros

PássarosPássaros O caso dos passaros migratoriosO caso dos passaros migratorios

PássarosPássaros

Uso de um compasso de inclinação:Uso de um compasso de inclinação:

Não distingue Norte ou Sul. Ele distingue Não distingue Norte ou Sul. Ele distingue o sentido do Equador e o sentido do o sentido do Equador e o sentido do Pólo. Num pássaro migratório isso é Pólo. Num pássaro migratório isso é importante para saber para onde se importante para saber para onde se encontram as regiões mais quentes ou encontram as regiões mais quentes ou frias numa mudança de estação.frias numa mudança de estação.

PássarosPássaros

PássarosPássaros

PássarosPássaros

Vários experimentos de campo com Vários experimentos de campo com pássaros migratórios têm mostrado pássaros migratórios têm mostrado que o compasso de inclinação que o compasso de inclinação depende da detecção de luz de depende da detecção de luz de diferentes comprimentos de onda.diferentes comprimentos de onda.

PássarosPássaros

Listagem das espécies de pássaros migratórios que têm sido estudadas mostrando a capacidade de usar a informação do campo geomagnético durante o processo migratório.

PássarosPássarosNature, 3 october 2002

PássarosPássaros

A: binocular, B: olho esquerdo, C: olho direitoD: olho direito com a inclinação do campo magnético para cima

PássarosPássaros Albatroses são capazes de voar entre Albatroses são capazes de voar entre

dois pontos distantes a 1300 km com dois pontos distantes a 1300 km com imãs fixos na cabeça. Isto implica que o imãs fixos na cabeça. Isto implica que o mecanismo de deteção magnético não mecanismo de deteção magnético não deve estar relacionado com campos deve estar relacionado com campos magnetostaticos ou que ele não esta na magnetostaticos ou que ele não esta na cabeça.cabeça.

PeixesPeixes

O caso dos tubarõesO caso dos tubarões

PeixesPeixes

PeixesPeixes

TubarõesTubarões

PeixesPeixes

PeixesPeixes

No solo do oceano a No solo do oceano a pedra forma camadas pedra forma camadas diferentes empilhadas diferentes empilhadas segundo a epoca que segundo a epoca que foram criadas, e foram criadas, e tambem tambem determinando regiões determinando regiões delinhadas por falhas delinhadas por falhas magnéticasmagnéticas

PeixesPeixes No oceano Pacifico as placas estão orientadas No oceano Pacifico as placas estão orientadas

no sentido N-S e as falhas magnéticas no sentido N-S e as falhas magnéticas determinam um sistema coordenado que os determinam um sistema coordenado que os organismos marinhos poderiam usarorganismos marinhos poderiam usar

PeixesPeixes

Truta e SalmãoTruta e Salmão

Rainbow

Steelhead

PeixesPeixes

O caso dos peixes migratorios: truta e salmãoO caso dos peixes migratorios: truta e salmão

PeixesPeixes

Experimentos com redes de pescacom imãs fixos neles mostraram que o número de peixes capturados aumenta naquelas redes com imãs.

Mamiferos marinhosMamiferos marinhos BaleiasBaleias

Mamiferos marinhosMamiferos marinhos Tem sido demonstrado que as balheias ficam Tem sido demonstrado que as balheias ficam

encalhadas em regiões onde existem encalhadas em regiões onde existem anomalias magnéticas fortes, fazendo com anomalias magnéticas fortes, fazendo com que elas confundam as pistas de orientação.que elas confundam as pistas de orientação.

Outros animais marinhosOutros animais marinhos O caso das tartarugas rescem nascidasO caso das tartarugas rescem nascidas

Filhotes de tartaruga são geralmente estudados

Tartarugas: Tartarugas:

podem detectar a podem detectar a

inclinação e a inclinação e a

intensidade do campo intensidade do campo

geomagnéticogeomagnético

Os resultados observados em filhotes de Os resultados observados em filhotes de tartaruga mostram que eles já nascem tartaruga mostram que eles já nascem com um conhecimento herdado sobre a com um conhecimento herdado sobre a orientação espacial correlacionada com a orientação espacial correlacionada com a direção local do campo geomagnetico.direção local do campo geomagnetico.

MamíferosMamíferos TopeirasTopeiras

MamíferosMamíferos

MamiferosMamiferos

Siberian hamsterSiberian hamster

MamiferosMamiferos

InsetosInsetos

Todo ano, durante o outono, Todo ano, durante o outono, milhões de borboletas Monarca milhões de borboletas Monarca migram do Norte da América até migram do Norte da América até as montanhas no centro do as montanhas no centro do México, e na primavera elas México, e na primavera elas voltam para o Canada. voltam para o Canada.

O que é surprendente neste O que é surprendente neste comportamento é que as que comportamento é que as que iniciam a viagem no outono iniciam a viagem no outono correspondem com a 3a ou 5a correspondem com a 3a ou 5a geração das que voltaram na geração das que voltaram na primavera pasada!!primavera pasada!!

InsetosInsetos

O caso das borboletas MonarcaO caso das borboletas Monarca

InsetosInsetos

As abelhas formam parte do grupo As abelhas formam parte do grupo dos insetos sociais.dos insetos sociais.

As tarefas são divididas entre grupos As tarefas são divididas entre grupos de insetos chamados de castasde insetos chamados de castas

A casta dos escuterios esta A casta dos escuterios esta encarregado de procurar alimento e encarregado de procurar alimento e informar a posição deste para os informar a posição deste para os demais membros da colmeia.demais membros da colmeia.

InsetosInsetos Porem, como as escoteiras informam a Porem, como as escoteiras informam a

posição do alimento encontrado???posição do alimento encontrado??? Elas comunicam através esta informação Elas comunicam através esta informação

através de danças!!através de danças!! Para distâncias menores de 50 metros: dança Para distâncias menores de 50 metros: dança

circularcircular Para distâncias maiores de 50 metros: dança Para distâncias maiores de 50 metros: dança

em oitoem oito

InsetosInsetos

Círculos Oitos

InsetosInsetos

Na dança em círculos:Na dança em círculos: a cada 15 segundos de 8 a 10 círculosa cada 15 segundos de 8 a 10 círculos Isto indica para as outras operarias que Isto indica para as outras operarias que

existe alimento até uma distância de 50 existe alimento até uma distância de 50 metros fora da colmeiametros fora da colmeia

InsetosInsetos

Na dança em oito:Na dança em oito: é transmitida a informação de quantidade é transmitida a informação de quantidade

de alimento e orientação, ou seja, em qual de alimento e orientação, ou seja, em qual direção procurar o alimentodireção procurar o alimento

a inclinação do oito com respeito à vertical a inclinação do oito com respeito à vertical esta relacionada com o ângulo entre a esta relacionada com o ângulo entre a linha entre a colmeia e o alimento e a linha entre a colmeia e o alimento e a linha entre a colmeira e o Sol!!linha entre a colmeira e o Sol!!

InsetosInsetos

InsetosInsetos

Como as abelhas medem ângulos? Como as abelhas medem ângulos? Da mesma que as formigas!! Da mesma que as formigas!! Através da polarização da luz no Através da polarização da luz no céu ou através de informação do céu ou através de informação do campo geomagnéticocampo geomagnético

Erro sistemático no ângulo: culpa Erro sistemático no ângulo: culpa das flutuações no campo das flutuações no campo geomagnéticogeomagnético

InsetosInsetos

InsetosInsetos

InsetosInsetos

InsetosInsetos

Vespas:

InsetosInsetos

Vespas:

InsetosInsetos

Insetos: formigasInsetos: formigas

InsetosInsetos

Pachycondyla marginata

InsetosInsetos

InsetosInsetos

Dentro das especies de formigas já Dentro das especies de formigas já estudadas estão:estudadas estão:

- Pachycondyla marginataPachycondyla marginata- Formica rufaFormica rufa- Solenopsis invictaSolenopsis invicta- Acromyrmex octospinosusAcromyrmex octospinosus- Oecophylla smaragdinaOecophylla smaragdina- Atta colombicaAtta colombica- Formica pratensisFormica pratensis

InsetosInsetos

Insetos: cupinsInsetos: cupins

InsetosInsetos

Insetos: cupinsInsetos: cupins

InsetosInsetos Insetos: cupin Insetos: cupin Neocapritermes opacusNeocapritermes opacus

OutrosOutros SalamandrasSalamandras

N. viridescens

OutrosOutrosN. viridescens

OutrosOutros

Compasso magnético dependente de Compasso magnético dependente de luz em luz em Notophthalmus viridescensNotophthalmus viridescens..

Photoreceptores extraoculares Photoreceptores extraoculares localizados perto do orgão pineal.localizados perto do orgão pineal.

Para luz > 500 nm : mudança em 90Para luz > 500 nm : mudança em 900 0

com respeito a individuos analisados com respeito a individuos analisados com luz branca ou luz < 500 nmcom luz branca ou luz < 500 nm

OutrosOutros American BullfrogsAmerican Bullfrogs

OutrosOutros

American BullfrogAmerican Bullfrog

Rana catesbeianaRana catesbeiana

Orientação bimodal:

A: experimento controle com o campo magnético apontando na direção NS

B: experimento com o campo magnético apontando na direção LO

OutrosOutros American BullfrogAmerican Bullfrog

Rana catesbeianaRana catesbeiana

Circulos brancas: luz branca

Circulos cinzas: luz > 500 nm

Comportamento semelhante ao da salamandra!!!!!

OutrosOutros

Lagosta

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A lagosta Panulirus argus mora no Atlantico oeste, faz migrações anuais e é capaz de fazer incursões longas fora do local onde vive.

OutrosOutros

OutrosOutros

Os experimentos com lagosta mostraram que Os experimentos com lagosta mostraram que elas são capazes de detectar a direção da elas são capazes de detectar a direção da componente horizontal do campo componente horizontal do campo geomagnético e são insensiveis à direção da geomagnético e são insensiveis à direção da componente vertical, o que determina um componente vertical, o que determina um sentido de compasso de polaridade e não de sentido de compasso de polaridade e não de inclinação.inclinação.

OutrosOutros

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Magnetorecepção: evidencias de comportamento Dr. Daniel Acosta Avalos Magnétismo Biológico Escola de Verão – CBPF 2006