Naše vědomosti o migraci ptáků se posunuly od Aristotelových představ o tom, že se v zimním období rehci mění na červenky, nebo že hibernují, k poznání o migraci ptáků a jejím principu.

K behaviorální vědě o migracích se tak postupně přidala molekulární biologie i kvantová fyzika.

V posledních letech dokážeme mnohem přesněji určit délky tras a dob trvání cest migrujících ptáků mimo jiné i díky tomu, že máme již mnohem kompaktnější a lehčí sledovací zařízení, které na jedince připevňujeme.

Od původně několika stovek gramů vážících geolokátorů jsme pokročili k zařízením vážících méně než 1 gram. Díky tomu můžeme sledovat migrační trasy mnohem lehčích druhů než dříve.

Vnímání magnetického pole na úrovni molekul

Migrující ptáci se orientují všemi prostředky, které jsou k dispozici – ať už enviromentálními, tak vrozenými. Co se týká smyslů, kromě zraku, čichu a částečně vrozených instrukcí o tom, kam letět, jim na cestě pomáhá jim i magnetické pole Země.

Senzory magnetického kompasu jsou umístěny na sítnici ptáků a ti mohou tak magnetické pole „vidět“. U některých byl nalezen ještě navíc i magnetit v zobáku, který jim slouží jako ukazatel směru, kterým mají letět.

Za schopnost vnímat magnetické pole vděčí nejspíše molekule kryptochromu. Ten se vyskytuje u rostlin, lidí, ptáků, hmyzu a ryb, a plní nejrůznější funkce, ale pravděpodobně jen u ptáků má funkci magnetoreceptoru.

Před 12 lety byly provedeny Peter J. Hore pokusy se samotným kryptochromem z rostlin v laboratorních podmínkách, a před třemi lety se to konečně povedlo i s kryptochromem ptáků.

Tým Henrika Mouritsena a již zmíněného Petera J. Horea z Univerzity v Oldenburgu v Německu, kteří tyto pokusy provedli, nejprve museli rozhodnout, který z kryptochromů bude nejvhodnějším kandidátem pro detekci magnetismu.

V očích ptáků se kryptochromů vyskytuje hned šest. Jako nejvhodnější kandidát se ukázal Cry4a.

Teorie radikálových párů

Protein Cry4a byl vybrán proto, že nejsilněji ze všech kryptochromů váže flavinadenindinukleotid (FAD). Ten se ukrývá uvnitř Cry4a a jako jediná molekula v tomto proteinu váže modré světlo.

Součástí Cry4a je i řetězec 3–4 aminokyselin tryptofanů napojených na FAD a trčících ven z 3D struktury proteinu.

Poté, co FAD absorbuje foton modrého světla, přeskočí elektron z nejbližšího tryptofanu řetězovou reakcí na další tryptofany a výsledkem je záporně nabitý FAD uvnitř proteinu a kladně nabité radikály tryptofanu na povrchu proteinu Cry4a.

Vzniká tak radikálový pár, který má elektrony v různých stavech podle toho, jaký mají spin. Spin je vlastnost elektronu, který má daný směr, a částice se spinem se chovají jako mikroskopické magnety.

Za normálních okolností má molekula pár elektronů opačně směrovaných spinů, ale radikály mají elektrony přebývající nebo naopak elektron pozbývají, a to pak jde o triplety nebo singlety.

Radikálové páry mají spiny ve stejném směru., což je pro molekulu nezvyklý stav. To má za následek, že se triplety po dobu několika milisekund mění v singlety a vice versa (tyto proměny nastanou milionkrát za sekundu).

Při oscilaci ze singletů na triplety je Cry4a citlivý na změny magnetického pole, a tímto způsobem se v něm ptáci orientují.

Evoluční vznik Cry4a

Hypotézu o tom, že Cry4a je klíčový pro vnímání magnetického pole u stěhovavých ptáků potvrzuje i fakt, že se citlivost na magnetické změny mezi Cry4a u různých druhů ptáků liší.

Při srovnání Cry4a červenek, které migrují, a nemigrujících slepic a holubů se ukázalo, že Cry4a červenek má výrazně vyšší magnetickou sensitivitu. V evoluci u nich tak Cry4a převzal navigační funkci.

U jiných skupin ptáků se naopak Cry4a úplně ztratil, a to u papoušků, u křikavých i u některých kolibříků. Často o něj přišly nestěhovavé skupiny ptáků tropického lesa, kde není magnetorecepce inklinačního kompasu kvůli blízkosti rovníku užitečná.

Orientovat se inklinačním kompasem se vyplatí jen v zeměpisných šířkách mírného pásu, protože tento kompas pomáhá zvířatům orientovat se podle toho kde je rovník a póly.

Existuje pak ještě polaritní kompas, který využívají jiná zvířata než stěhovaví ptáci, k určení toho, kde je sever nebo jih.

Jak to funguje v mozcích ptáků

Jaký dopad má působení magnetického pole na fyziologii ptáků objevil před 12 lety také Henrik Mouritsen s týmem. V mozku ptáků nalezli oblast nazývanou klastr N, který přijímá a zpracovává vizuální informace.

U některých stěhovavých ptáků migrujících v noci je právě klastr N nejaktivnější částí mozku ve chvílích, kdy ptáci používají svůj magnetický smysl. Pokud klastr N nefunguje správně, jeho funkci nahradí sluneční a hvězdný kompas. Bez funkčního klastru N se ptáci v magnetickém poli neorientují.