Magnetorecepção: evidencias
de comportamento
Dr. Daniel Acosta Avalos
“Magnétismo Biológico”
Escola de Verão – CBPF
2006
Detecção passiva de campos
magnéticos: magnetotaxia

Em 1970, Richard
Blakemore
descobre por
acidente um tipo
de bactéria que
responde ao
campo
geomagnético.
Detecção passiva de campos magnéticos:
magnetotaxia

No seu interior: cadeias de partículas
magnéticas,envolvidas por uma membrana. Estas
bactérias se movimentam através de flagelos.
Cepa marinha MV-4
Cepa marinha MC-1
Detecção passiva de
campos magnéticos:
magnetotaxia
Este tipo de bacteria é “selvagem”,
ou seja, não existem culturas de
estas cepas . Até hoje, somente
existem no mundo algumas cepas em
cultura. O problema: um meio de
cultura efetivo.
Características gerais das
bactérias magnéticas
Detecção passiva de campos magnéticos:
magnetotaxia

Cristais
Detecção passiva de campos magnéticos:
magnetotaxia

Magnetossoma
Detecção passiva de campos magnéticos:
magnetotaxia

Forma cristalina
Detecção passiva de campos magnéticos:
magnetotaxia

Forma cristalina
Detecção passiva de campos magnéticos:
magnetotaxia

Campo magnético no magnetossoma
Detecção passiva de campos magnéticos:
magnetotaxia

Procarionte multicelular
Detecção passiva de campos magnéticos:
magnetotaxia
Microscopia eletrônica de varredura
Microscopia Confocal
Microscopia Eletrônica de Transmissão
Imagens realizadas pelo grupo dos Profs. Marcos Farina e Ulisses Lins.
Detecção passiva de
campos magnéticos:
magnetotaxia

M. bavaricum
Detecção passiva de campos magnéticos:
magnetotaxia
Detecção passiva de campos magnéticos:
magnetotaxia
Magnetotaxia: para que?
Foram identificados dois tipos de bacterias, segundo a orientação
do momento magnético da cadeia com respeito aos flagelos: as
tipos Norte e as tipo Sul.
Detecção passiva
de campos
magnéticos:
magnetotaxia
Detecção passiva de campos
magnéticos: magnetotaxia


Podem ser coletados em lagoas e riachos, como em Iguaba,
que fica na Região dos Lagos, Estado do Rio de Janeiro.
Para isto, a equipe entra na água até a profundidade de
aproximadamente 1m, são mergulhados recipientes até o
fundo da lagoa, a fim de coletar amostras tanto de água
quanto de areia.
Detecção passiva de campos
magnéticos: magnetotaxia
As amostras são colocadas em diferentes aquários de vidro,
separadas, preferencialmente, de acordo com os pontos
coletados.
As bactérias são coletadas após o acréscimo de um pouco de
areia e de água num concentrador magnético.
Após cerca de 20 minutos, utilizando um conta-gotas, uma
pequena quantidade de água da ponta do concentrador é
coletada para ser analisada no microscópio.
Detecção passiva de campos
magnéticos: magnetotaxia
Detecção passiva de campos
magnéticos: magnetotaxia
Mais bacterias.....

Instituto Oceanografico de Woods Hole
Somente bacterias??
Somente bacterias??
Orientação espacial dos seres
vivos


Quais os
mecanismos de
orientação que os
seres vivos usam
para deslocarse?
Etologia = estudo
do comportamento
animal

Atualmente, a etologia
é uma área de estudo
multidisciplinar, porque
envolve conhecimentos
sobre a biologia animal
e a física e química dos
estimulos ambientais
que modificam o seu
comportamento
Orientação espacial dos seres
vivos




Dois tipos de comportamento animal:
migração e “homing” ou retorno ao ninho.
Em qualquer dos dois, mecanismos de
orientação complexos são usados para
poder atingir o ponto final na jornada de
viagem.
Sentidos usados: visão, olfato, audição
Sentidos extras: deteção de campos
elétricos, campos magnéticos, campo
gravitacional
Orientação espacial dos seres
vivos
Principais referências de orientação:
 Posição do Sol no cêu
 Polarização da luz solar no cêu
 Direção do campo geomagnético
Orientação espacial dos seres
vivos
Posição do Sol no cêu
Orientação espacial dos seres
vivos
Polarização da luz: propriedade vetorial do campo eletromagnético.
Ela muda quando a luz atravessa diferentes meios inomogeneos,
como é o caso da atmósfera terrestre.
Orientação espacial dos seres
vivos
Varias espécies de animais tem um
comportamento migratório.
 Um animal, na tarefa de procurar
alimento ou de volta para casa
sempre tem que ter uma forma de
orientar-se no ambiente para
saber qual caminho deve seguir na
volta.

Orientação espacial dos seres
vivos
Cataglyphis fortis:
formiga que mora no deserto.
Exemplo de volta ao ninho
de uma formiga escoteira.
Orientação espacial dos seres
vivos

Para fazer um estudo de
orientação, vários indivíduos de
uma espécie animal são
pesquisados, medindo-se o angulo
que eles tomam durante o inicio da
jornada, todo com respeito a um
eixo de referencia que geralmente
é o eixo Norte-Sul.
Orientação espacial dos seres
vivos
Orientação espacial dos seres
vivos
A estatística utilizada para analisar
ângulos é conhecida como Estatística
Circular.
 Porque usar uma estatística diferente??
 Porque um ângulo corresponde com
uma variável intervalar, cuja
característica é que não tem um zero
bem definido.

Orientação espacial dos seres
vivos
0, 2p, 4p, 6p, ......
Orientação espacial dos seres
vivos
Por exemplo: sejam os ângulos 10o, 15o, 350o e 345o. Se
calcula-mos o valor médio com a estatística linear
teremos como ângulo médio 180o!!!
Angulo médio!!!
Orientação espacial dos seres
vivos

Para resolver este problema,
observamos que cada ângulo pode
representar a posição de um vetor
sobre um circulo unitário. Então,
como cada vetor tem duas projeções
sobre os eixos coordenados no plano,
terá que ser feita a estatística com os
valores em cada eixo, onde existe um
zero real.
Orientação espacial dos seres
vivos
y
x = cos( q )
q
x
y = sen( q )
Orientação espacial dos seres
vivos
Um conjunto de ângulos
{q1, q2, q3, q4,........qN}
corresponde com os seguintes conjuntos:
{cos(q1), cos(q2), cos(q3),........., cos(qN)}

{sen(q1), sen(q2), sen(q3),........., sen(qN)}
Orientação espacial dos seres
vivos

Para calcular o ângulo médio do
anterior conjunto de ângulos,
precisamos calcular as coordenadas x e
y correspondentes com este ângulo
médio.
Orientação espacial dos seres
vivos

As coordenadas x e y são:
N
N
x
 cos(q k )
k 1
N
y
 sen(q
k 1
N
k
)
Orientação espacial dos seres
vivos

Com estas coordenadas calculamos o
comprimento do vetor médio, representado
por r :
r
x y
2
2
Orientação espacial dos seres
vivos

O ângulo médio qm é calculado com a
seguinte relação:
y
tan( q m ) 
x
Orientação espacial dos seres
vivos


qm é o ângulo que queríamos calcular. Qual é o
significado do parâmetro r ?
r é uma medida da concentração dos ângulos
em volta de qm. Desta forma, podemos pensar
em 1 – r como uma medida de dispersão dos
ângulos. Um valor r = 0 significa que os dados
estão uniformemente distribuídos em volta da
circunferência unitária. Valores próximos de 1
significam uma maior concentração em volta
do ângulo médio.
Orientação espacial dos seres
vivos

Definimos a variância angular como:
s  2(1  r )
2
E o desvio padrão circular, em graus, como:
s

180
p
2(1  r )
Orientação espacial dos seres
vivos



O que acontece se a orientação não for
numa direção fixa, mas ao longo de um
eixo (orientação axial)?
Neste caso a analise é feita com duas
vezes cada ângulo:
q  2q  se o ângulo resultante for
menor que 360o fica o valor de q, se for
maior que 360o ao resultado é subtraído
360o. O ângulo médio calculado será duas
vezes o ângulo do eixo procurado.
Orientação espacial dos seres
vivos
Orientação espacial dos seres
vivos

Como sabemos que o ângulo medio
calculado tem significância
estatística?
Para isto é feito o teste de Rayleigh:
É testada a hipotese nula de uma
distribuição uniforme entre 0 e 2p
com r = 0.

Uso do campo geomagnético como
fonte de orientação espacial

Como já foi dito ao discutirmos o
campo geomagnético, as linhas do
campo com igual intensidade, igual
declinação, ou igual inclinação,
servem como referencia de
orientação em longas distancias.
Porem, também podem servir como
fonte de orientação local.
Uso do campo geomagnético como
fonte de orientação espacial

1.
2.
Os experimentos de orientação têm mostrado
dois tipos de mecanismos:
O compasso magnético de polaridade: funciona como
uma bússola, permitindo detectar a componente
horizontal do campo geomagnético que aponta no
sentido do Norte geográfico porem descompensado
pelo ângulo de declinação.
O compasso magnético de inclinação: neste casso o
que é detectado é a inclinação geomagnética, ou
seja, o ângulo entre o vetor do campo geomagnético
e a vertical. O ângulo de H com a horizontal: o menor
sempre aponta no sentido do equador geográfico e o
maior sempre aponto no sentido do pólo.
Pássaros
Pombos correio
Pássaros
Em 1976 é feito um experimento
Medindo-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.
Pássaros

Correlação entre a precisão da
orientação de pombos e o distúrbio
magnético local provocado por
anomalias no sitio do pombal localizado
em Lincoln, Massachusetts, USA.
Pássaros



Erros de orientação cometidos por
pombos liberados em diferentes
sítios, longe do pombal situado no
centro da figura. O pombal se
encontrava em Ithaca, NY, USA.
Os ângulos em preto significam
erros no sentido horário e os
brancos no anti-horário.
As linhas vermelhas representam
linhas de igual intensidade
geomagnética, e a linha azul
representa o gradiente do campo
geomagnético.
Pássaros
Pássaros

O caso dos passaros migratorios
Pássaros
Uso de um compasso de inclinação:
Não distingue Norte ou Sul. Ele distingue
o sentido do Equador e o sentido do
Pólo. Num pássaro migratório isso é
importante para saber para onde se
encontram as regiões mais quentes ou
frias numa mudança de estação.

Pássaros
Pássaros
Pássaros

Vários experimentos de campo com
pássaros migratórios têm mostrado
que o compasso de inclinação
depende da detecção de luz de
diferentes comprimentos de onda.
Pássaros
Listagem das espécies de pássaros
migratórios que têm sido
estudadas mostrando a
capacidade de usar a informação
do campo geomagnético durante o
processo migratório.
Pássaros
Nature, 3 october 2002
Pássaros
A: binocular, B: olho esquerdo, C: olho direito
D: olho direito com a inclinação do campo magnético para cima
Pássaros

Albatroses são capazes de voar entre dois
pontos distantes a 1300 km com imãs
fixos na cabeça. Isto implica que o
mecanismo de deteção magnético não
deve estar relacionado com campos
magnetostaticos ou que ele não esta na
cabeça.
Peixes

O caso dos tubarões
Peixes
Peixes

Tubarões
Peixes
Peixes

No solo do oceano a
pedra forma camadas
diferentes empilhadas
segundo a epoca que
foram criadas, e
tambem determinando
regiões delinhadas por
falhas magnéticas
Peixes

No oceano Pacifico as placas estão orientadas
no sentido N-S e as falhas magnéticas
determinam um sistema coordenado que os
organismos marinhos poderiam usar
Peixes

Truta e Salmão
Rainbow
Steelhead
Peixes

O caso dos peixes migratorios: truta
e salmão
Peixes
Experimentos com redes de pesca
com imãs fixos neles mostraram
que o número de peixes capturados
aumenta naquelas redes com imãs.
Mamiferos marinhos

Baleias
Mamiferos marinhos

Tem sido demonstrado que as balheias ficam
encalhadas em regiões onde existem
anomalias magnéticas fortes, fazendo com
que elas confundam as pistas de orientação.
Outros animais marinhos

O caso das tartarugas rescem nascidas
Filhotes de tartaruga são
geralmente estudados
Tartarugas:
podem detectar a
inclinação e a
intensidade do campo
geomagnético

Os resultados observados em filhotes de
tartaruga mostram que eles já nascem
com um conhecimento herdado sobre a
orientação espacial correlacionada com a
direção local do campo geomagnetico.
Mamíferos

Topeiras
Mamíferos
Mamiferos

Siberian hamster
Mamiferos
Insetos


Todo ano, durante o outono,
milhões de borboletas Monarca
migram do Norte da América até
as montanhas no centro do
México, e na primavera elas
voltam para o Canada.
O que é surprendente neste
comportamento é que as que
iniciam a viagem no outono
correspondem com a 3a ou 5a
geração das que voltaram na
primavera pasada!!
Insetos

O caso das borboletas Monarca
Insetos
As abelhas formam parte do grupo
dos insetos sociais.
 As tarefas são divididas entre grupos
de insetos chamados de castas
 A casta dos escuterios esta
encarregado de procurar alimento e
informar a posição deste para os
demais membros da colmeia.

Insetos
Porem, como as escoteiras informam a
posição do alimento encontrado???
 Elas comunicam através esta
informação através de danças!!
 Para distâncias menores de 50 metros:
dança circular
 Para distâncias maiores de 50 metros:
dança em oito

Insetos
Círculos
Oitos
Insetos
Na dança em círculos:
 a cada 15 segundos de 8 a 10
círculos
 Isto indica para as outras operarias
que existe alimento até uma
distância de 50 metros fora da
colmeia

Insetos



Na dança em oito:
é transmitida a informação de quantidade
de alimento e orientação, ou seja, em qual
direção procurar o alimento
a inclinação do oito com respeito à vertical
esta relacionada com o ângulo entre a
linha entre a colmeia e o alimento e a
linha entre a colmeira e o Sol!!
Insetos
Insetos
Como as abelhas medem ângulos?
Da mesma que as formigas!!
Através da polarização da luz no
céu ou através de informação do
campo geomagnético
 Erro sistemático no ângulo: culpa
das flutuações no campo
geomagnético

Insetos
Insetos
Insetos
Insetos
Vespas:
Insetos
Vespas:
Insetos

Insetos: formigas
Insetos
Pachycondyla marginata
Insetos
Insetos

-
Dentro das especies de formigas já
estudadas estão:
Pachycondyla marginata
Formica rufa
Solenopsis invicta
Acromyrmex octospinosus
Oecophylla smaragdina
Atta colombica
Formica pratensis
Insetos

Insetos: cupins
Insetos

Insetos: cupins
Insetos

Insetos: cupin Neocapritermes opacus
Outros

Salamandras
N. viridescens
N. viridescens
Outros
Outros
Compasso magnético dependente de
luz em Notophthalmus viridescens.
 Photoreceptores extraoculares
localizados perto do orgão pineal.
 Para luz > 500 nm : mudança em
900 com respeito a individuos
analisados com luz branca ou luz <
500 nm

Outros

American Bullfrogs
Outros
American Bullfrog
Rana catesbeiana

Orientação bimodal:
A: experimento controle com o
campo magnético apontando na
direção NS
B: experimento com o campo
magnético apontando na direção LO
Outros
American Bullfrog
Rana catesbeiana

Circulos brancas: luz branca
Circulos cinzas: luz > 500 nm
Comportamento semelhante
ao da salamandra!!!!!
Outros
Lagosta
Outros
A lagosta Panulirus argus mora no Atlantico
oeste, faz migrações anuais e é capaz de
fazer incursões longas fora do local onde
vive.
Outros
Outros

Os experimentos com lagosta mostraram que
elas são capazes de detectar a direção da
componente horizontal do campo geomagnético
e são insensiveis à direção da componente
vertical, o que determina um sentido de
compasso de polaridade e não de inclinação.
Outros
Outros