Caltechbiologen Markus Meister bestrider ny forskning och hävdar att han har löst det som han beskriver som "det sista sanna mysteriet med sensorisk biologi" - djurs förmåga att upptäcka magnetfält. Denna "magnetiska känsla" ger ett navigationshjälpmedel till en mängd olika organismer, inklusive flugor, hemduvor, mol, och fladdermöss.

I tre separata artiklar som finns i tidskrifter publicerade av Nature Publishing Group, forskargrupper från Peking University i Peking, University of Virginia, och Rockefeller University i New York bygger ett vetenskapligt fall, baserat på förekomsten av särskilda järnfyllda proteinmolekyler, för hur levande celler kan påverkas av magnetfält. Om det är korrekt, dessa fynd skulle hjälpa till att förklara hur djur känner av magnetism och hur cellulära funktioner en dag kan styras med hjälp av magnetfält.

En viktig egenskap hos järn är att det kan magnetiseras som nålen på en kompass. Eftersom de beskrivna proteinerna innehåller så mycket järn, argumentet går, de skulle påverkas av jordens magnetfält, tillhandahålla en mekanism genom vilken organismer kan känna det fältet.

Problemet, säger Meister, Anne P. och Benjamin F. Biaggini professor i biologiska vetenskaper, är att alla proteiner som beskrivs i trion av Nature -papper inte innehåller tillräckligt med järn för att påverkas av magnetfält.

"Vi pratar om en skillnad mellan fem och tio storleksordningar. Mängden järn i molekylerna är inte ens nära att räcka, "säger Meister, som diskuterar sin analys av de tre studierna i en artikel publicerad av tidskriften eLife. Den skillnaden är enorm. Meister liknar det med att hävda att han har byggt en elbil som kan köras i ett år - på ett enda AA -batteri.

Efter att ha noterat problemet, Meister checkade in med kollegor i fältet, inklusive Joseph Kirschvink (BS, MS '75), Nico och Marilyn Van Wingen Professor i geobiologi vid Caltech, som är känd för arbete med magnetoreception baserat på magnetit (Fe ₃ O ₄ ), en ferromagnetisk järnmalm. År 2001, Kirschvink publicerade bevis för att kristaller av magnetit hos djur kan spela en roll för djurs magnetiska känslighet. Kirschvink instämde i Meisters analys. "Markus är spot-on, säger Kirschvink.

I en av tidningarna, publicerad i Naturmaterial i november 2015, en grupp ledd av Siying Qin från Peking University rapporterar upptäckten av ett järnrikt stavliknande proteinkomplex i fruktflugans Drosophila ögon som, författarna säger, kan vara källan till flugans magnetmottagning. De kallade komplexet MagR, för magnetoreceptorprotein.

MagR innehåller 40 järnatomer. Dessa järnatomer, säger forskarna från Pekinguniversitetet, ger tillräckligt med ett magnetmoment (rörelse som svar på ett magnetfält) som ungefär 45 procent av isolerade proteiner orienterar med sin långa axel längs det geomagnetiska fältet. Med andra ord, papperet föreslår att proteinerna anpassar sig som svar på jordens magnetfält så att de pekar mot magnetisk norr som nålen på en kompass.

Dock, Meister säger att proteinerna faktiskt inte har tillräckligt med järnhalt för att vara känsliga för magnetfält.

De minsta järnpartiklar som är kända för att ha ett permanent magnetiskt moment vid rumstemperatur är kristaller av Fe ₃ O ₄ , som är cirka 30 nanometer stora. Varje kristall innehåller cirka 1 miljon tätt packade järnatomer. Det betyder att även om alla 40 järnatomer i ett MagR -protein lyckas länka ihop på något sätt och fungera som en enda enhet, proteinets resulterande magnetiska moment skulle fortfarande vara för litet för att anpassas till jordens geomagnetiska fält vid rumstemperatur. Magnetismen är inlåst i en kamp mot värmeens kaosinducerande energi, som arbetar för att randomisera orienteringen av proteinkomplexet. Denna termiska effekt är ungefär fem storleksordningar starkare än något magnetiskt drag på de 40 järnatomerna.

"Detta är baksidan av kuvertets fysik, "Säger Meister.

De andra två papprena - en in Natur Neurovetenskap av Michael Wheeler från University of Virginia och en in Naturmedicin av Sarah Stanley från Rockefeller University - utforska möjligheten till tekniska mekanismer som skulle använda järnatomer i celler för att styra jonkanaler.

Jonkanaler är gateways i cellmembran som möjliggör passage av joner över membranet, sänder därmed signaler in och ut ur cellen. Dessa signaler styr cellulära funktioner. Till exempel, jonkanaler i nervceller kan överföra smärtsignaler. Att selektivt kunna öppna och stänga jonkanaler med magnetfält, snarare än med mediciner, skulle erbjuda kliniker en minimalt invasiv teknik för att kontrollera celler - till exempel hantera smärta utan användning av läkemedel.

Både Wheelers och Stanleys fynd beror på användningen av ferritin, ett ihåligt proteinskal som, tidigare forskning har visat, kan packas med järn. (De flesta organismer producerar naturligt ferritin för att lagra järn, vilket är giftigt när det flyter fritt genom cellerna.) Båda grupperna fäster en ferritinkula till en jonkanal som finns i cellmembranet, med målet att skapa en mekanism för att öppna eller stänga kanalen genom att manipulera bollen med magnetfält. Wheeler föreslog att fysiskt dra i ferritinkulan med ett magnetfält, medan Stanley använde ett magnetfält för att värma ferritinet och utlösa den bifogade jonkanalens öppning och stängning.

Inget system kan möjligen fungera, Säger Meister.

Verkligen, Meisters beräkningar visar att ferritin är för litet av många storleksordningar för att påverkas av magnetfält. "I båda fallen, man kan skylla på valet av ferritin, "Säger Meister. Eftersom ferritin inte har något permanent magnetiskt moment, magnetfält interagerar med det bara svagt. "Om de rapporterade effekterna verkligen inträffade enligt beskrivningen, de har förmodligen inget att göra med ferritin. "

Dock, han föreslår, det kan finnas en livskraftig väg för att styra jonkanalens funktion i celler med mycket större magnetiska partiklar, som de som finns i vissa magnetiska bakterier.

Även om misstag i vetenskapen är vanliga och verkligen en del av den vetenskapliga processen-därav behovet av peer-review för artiklar-oroar Meister sig för att dessa tillkännagivanden kan avskräcka andra forskare från att försöka förstå orsakerna till magnetism i biologiska sammanhang.

"Det är som att mässingsringen redan har tagits, "Säger Meister." Det är alldeles för lätt för någon att titta på det och tänka, 'Okej, Jag antar att det har besvarats. Jag ska försöka lösa något annat problem, sedan.'"

Meisters papper har titeln "Physical Limits to Magnetogenetics".