A Model for Photoreceptor-Based Magnetoreception in Birds

磁接收 地球磁场 指南针 旋转 隐色素 磁场 各向异性 感觉系统 物理 方向(向量空间) 生物系统 化学物理 生物 神经科学 凝聚态物理 光学 几何学 数学 量子力学 生物钟 昼夜节律
作者
Thorsten Ritz,Salih Adem,Klaus Schulten
出处
期刊:Biophysical Journal [Elsevier BV]
卷期号:78 (2): 707-718 被引量:1038
标识
DOI:10.1016/s0006-3495(00)76629-x
摘要

Abstract

A large variety of animals has the ability to sense the geomagnetic field and utilize it as a source of directional (compass) information. It is not known by which biophysical mechanism this magnetoreception is achieved. We investigate the possibility that magnetoreception involves radical-pair processes that are governed by anisotropic hyperfine coupling between (unpaired) electron and nuclear spins. We will show theoretically that fields of geomagnetic field strength and weaker can produce significantly different reaction yields for different alignments of the radical pairs with the magnetic field. As a model for a magnetic sensory organ we propose a system of radical pairs being 1) orientationally ordered in a molecular substrate and 2) exhibiting changes in the reaction yields that affect the visual transduction pathway. We evaluate three-dimensional visual modulation patterns that can arise from the influence of the geomagnetic field on radical-pair systems. The variations of these patterns with orientation and field strength can furnish the magnetic compass ability of birds with the same characteristics as observed in behavioral experiments. We propose that the recently discovered photoreceptor cryptochrome is part of the magnetoreception system and suggest further studies to prove or disprove this hypothesis.

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