میدان مغناطیسی زمین بر طول عمر و عملکرد سلول‌ها اثر می‌گذارد

به گزارش خبرگزاری آنا؛ پژوهشگران با بررسی مگس‌های میوه در محیطی با میدان مغناطیسی بسیار ضعیف، تغییراتی در طول عمر، توانایی حرکتی و فعالیت «میتوکندری» (mitochondria) مشاهده کردند؛ ساختارهایی درون سلول که وظیفه اصلی آنها تولید انرژی است. با این حال، همه مگس‌ها به این تغییر یکسان واکنش نشان ندادند. مگس‌های سالم و مگس‌هایی که در ژن مرتبط با عملکرد میتوکندری نقص داشتند، پاسخ‌های متفاوتی نشان دادند.

این پژوهش در «دانشگاه ناتینگهام» (University of Nottingham) انجام شده است. میدان مغناطیسی زمین همیشه بخشی از محیط زندگی موجودات زنده بوده، اما دانشمندان هنوز به‌طور کامل نمی‌دانند این میدان چه اثری بر سلول‌ها و فرایندهای زیستی دارد. بخش زیادی از پژوهش‌های گذشته به توانایی برخی جانوران، به‌ویژه پرندگان مهاجر، برای تشخیص میدان مغناطیسی و استفاده از آن در جهت‌یابی پرداخته است. پژوهش جدید اما موضوع دیگری را بررسی کرده است: اگر میدان مغناطیسی اطراف یک موجود زنده به‌شدت کاهش پیدا کند، چه تغییری در عملکرد سلول‌ها، تولید انرژی، حرکت و طول عمر آن ایجاد می‌شود؟

حذف تقریباً کامل میدان مغناطیسی زمین

پژوهشگران دانشگاه ناتینگهام برای بررسی این پرسش، از سامانه‌ای ویژه برای ایجاد «میدان کم‌مغناطیس» (hypomagnetic field) استفاده کردند؛ محیطی که در آن شدت میدان مغناطیسی به‌شدت کاهش یافته است. میدان مغناطیسی زمین در سطح سیاره معمولاً در محدوده ۲۵ تا ۶۰ میکروتسلا قرار دارد، اما پژوهشگران توانستند شدت میدان در محفظه آزمایش را به حدود ۵ نانوتسلا کاهش دهند؛ یعنی چندین هزار برابر کمتر از میدان طبیعی زمین.

در این آزمایش، پژوهشگران از مگس میوه «دروسوفیلا ملانوگاستر» (Drosophila melanogaster) استفاده کردند. این جانور یکی از مدل‌های پرکاربرد در پژوهش‌های زیست‌شناسی، ژنتیک و پیری است، زیرا چرخه زندگی کوتاهی دارد و بسیاری از فرایند‌های سلولی و مولکولی آن برای مطالعه بیماری‌های انسانی قابل بررسی هستند.

پژوهشگران دو گروه اصلی از مگس‌ها را بررسی کردند. گروه نخست مگس‌های سالم با ژنوتیپ طبیعی بود. گروه دوم دارای نقص در ژن «Pink۱» بود؛ ژنی که پروتئین حاصل از آن در حفظ سلامت میتوکندری‌ها و حذف میتوکندری‌های آسیب‌دیده نقش دارد.

نقص عملکرد ژن Pink۱ در انسان با برخی موارد «بیماری پارکینسون با شروع زودرس» (early-onset Parkinson’s disease) ارتباط دارد. در مدل مگس میوه نیز از دست رفتن عملکرد این ژن با اختلال عملکرد میتوکندری، کاهش توانایی حرکتی، آسیب نورون‌های دوپامینرژیک و کوتاه‌تر شدن طول عمر همراه است. به همین دلیل، این مگس‌ها مدلی برای مطالعه برخی ویژگی‌های زیستی مرتبط با بیماری‌های تحلیل‌برنده عصبی محسوب می‌شوند.

واکنش مگس‌های دارای نقص Pink۱ متفاوت بود

پژوهشگران مگس‌ها را در دو زمان، یعنی روز دهم یا بیستم زندگی بزرگسالی، وارد محفظه کم‌مغناطیس کردند و آنها را در این شرایط نگه داشتند. سپس طول عمر و عملکرد حرکتی آنها با گروه‌هایی که همچنان در میدان مغناطیسی طبیعی زمین قرار داشتند، مقایسه شد.

نتایج برای مگس‌های دارای نقص Pink۱ قابل توجه بود. هنگامی که این مگس‌ها از روز بیستم زندگی در معرض میدان کم‌مغناطیس قرار گرفتند، طول عمر آنها حدود ۲۰ درصد افزایش یافت. همچنین در یک تحلیل، خطر مرگ در هر مقطع زمانی برای این گروه تقریباً نصف گروه مشابهی بود که در میدان طبیعی زمین نگهداری شده بودند.

با این حال، افزایش طول عمر با بهبود عملکرد حرکتی همراه نبود. برعکس، مگس‌های دارای نقص Pink۱ در شرایط کم‌مغناطیس عملکرد ضعیف‌تری در آزمون بالا رفتن از دیواره محفظه نشان دادند.

این یافته یکی از نکات مهم مطالعه است، زیرا نشان می‌دهد طول عمر و عملکرد حرکتی الزاماً تغییرات موازی ندارند. یک وضعیت محیطی می‌تواند یک شاخص زیستی را بهبود دهد، اما هم‌زمان شاخص دیگری را کاهش دهد.

در مگس‌هایی که از روز دهم وارد محیط کم‌مغناطیس شدند، افزایش طول عمر بسیار محدودتر بود و از نظر آماری نمی‌توانست با اطمینان به اثر میدان نسبت داده شود. بنابراین، زمان آغاز مواجهه نیز ممکن است در پاسخ موجود زنده اهمیت داشته باشد.

مگس‌های سالم مسیر متفاوتی داشتند

پژوهشگران همین آزمایش را روی مگس‌های سالم نیز انجام دادند، اما نتیجه یکسان نبود. مگس‌های سالم در محیط کم‌مغناطیس در برخی شرایط عملکرد حرکتی بهتری نشان دادند، در حالی که طول عمر آنها تا حدی کاهش یافت؛ البته کاهش طول عمر در این گروه به اندازه‌ای نبود که بتوان آن را با قطعیت آماری به اثر میدان نسبت داد.

در آزمون حرکتی، پژوهشگران مگس‌ها را در پایین یک محفظه قرار دادند و بررسی کردند چه تعداد از آنها در مدت مشخصی از یک ارتفاع تعیین‌شده عبور می‌کنند. این آزمایش در سنین مختلف انجام شد و مگس‌های سالم قرارگرفته در محیط کم‌مغناطیس در برخی سنین عملکرد حرکتی بهتری نسبت به گروه کنترل داشتند.

در مقابل، مگس‌های دارای نقص Pink۱ که اساساً توانایی حرکتی ضعیف‌تری داشتند، در شرایط کم‌مغناطیس عملکرد حرکتی بدتری نشان دادند.

بنابراین، کاهش میدان مغناطیسی زمین نه یک اثر یکنواخت و مستقل از وضعیت زیستی موجود، بلکه عاملی بود که پاسخ آن با وضعیت ژنتیکی و سلامت میتوکندری‌ها ارتباط داشت.

میتوکندری‌ها در مرکز این تفاوت قرار دارند

برای توضیح این تفاوت، پژوهشگران فعالیت «میتوکندری» (mitochondria) را بررسی کردند. میتوکندری‌ها اندامک‌هایی درون سلول هستند که بخش عمده انرژی مورد نیاز سلول را از طریق فرایند‌های متابولیکی تأمین می‌کنند. اختلال در عملکرد آنها از ویژگی‌های مهم بسیاری از فرایند‌های مرتبط با افزایش سن و بیماری‌های تحلیل‌برنده عصبی است.

یکی از روش‌های مورد استفاده در این پژوهش، «تنفس‌سنجی با وضوح بالا» (high-resolution respirometry) بود که به پژوهشگران امکان داد نحوه مصرف اکسیژن و فعالیت مسیر‌های تولید انرژی در میتوکندری را بررسی کنند.

نتایج نشان داد که کاهش میدان مغناطیسی فعالیت «کمپلکس II» (complex II) در زنجیره انتقال الکترون میتوکندری را افزایش می‌دهد. زنجیره انتقال الکترون مجموعه‌ای از پروتئین‌ها و کمپلکس‌های موجود در غشای داخلی میتوکندری است که در فرایند تولید انرژی نقش دارند. کمپلکس II یکی از اجزای این سامانه است و علاوه بر مشارکت در انتقال الکترون، می‌تواند در شرایط خاص به‌عنوان بخشی از ظرفیت تنفسی ذخیره‌ای میتوکندری عمل کند.

در مگس‌های سالم، این افزایش فعالیت واضح‌تر بود. در مگس‌های دارای نقص Pink۱ نیز افزایش مشابهی مشاهده شد، اما اندازه اثر به‌گونه‌ای نبود که بتوان آن را با اطمینان آماری تأیید کرد.

از دید پژوهشگران، افزایش فعالیت کمپلکس II ممکن است واکنشی سازشی به تغییر شرایط محیطی باشد. با این حال، این فرض هنوز به‌طور مستقیم اثبات نشده است و برای مشخص شدن رابطه میان تغییر فعالیت کمپلکس II و افزایش طول عمر به مطالعات بیشتری نیاز است.

افزایش گونه‌های فعال اکسیژن نیز مشاهده شد

بخش دیگری از آزمایش به بررسی «گونه‌های فعال اکسیژن» (reactive oxygen species؛ ROS) اختصاص داشت. این مولکول‌ها در فرایند‌های طبیعی متابولیسم سلولی تولید می‌شوند و در غلظت‌های بالا می‌توانند به اجزای سلول آسیب برسانند. در عین حال، برخی از آنها در مقادیر کنترل‌شده نقش پیام‌رسان سلولی نیز دارند.

پژوهشگران برای بررسی یکی از این مولکول‌ها، یعنی «سوپراکسید» (superoxide)، از فناوری حسگری مبتنی بر الماس استفاده کردند. در این روش از «حسگر‌های کوانتومی الماسی مبتنی بر مراکز تهی نیتروژن» (nitrogen-vacancy quantum diamond sensors) استفاده شد که می‌توانند تغییرات مرتبط با گونه‌های فعال اکسیژن را شناسایی کنند.

نتایج افزایش سطح سوپراکسید را در مگس‌هایی که در محیط کم‌مغناطیس قرار گرفته بودند نشان داد؛ این تغییر در مگس‌های دارای نقص Pink۱ آشکارتر بود.

این یافته احتمال ارتباط میان میدان مغناطیسی، فعالیت میتوکندری و وضعیت اکسیداسیون سلول را مطرح می‌کند. با این حال، پژوهشگران هنوز نمی‌دانند تغییر میدان دقیقاً از چه مسیر مولکولی موجب تغییر فعالیت میتوکندری می‌شود.

میدان مغناطیسی چگونه توسط سلول دریافت می‌شود؟

یکی از پرسش‌های اصلی که این مطالعه پاسخ نمی‌دهد، چگونگی تشخیص تغییر میدان مغناطیسی توسط سلول است. یکی از سازوکار‌هایی که در پژوهش‌های زیستی درباره دریافت میدان مغناطیسی مطرح شده، «مدل جفت رادیکالی» (radical pair model) است. بر اساس این مدل، میدان مغناطیسی می‌تواند بر وضعیت اسپینی الکترون‌ها در برخی جفت‌های مولکولی اثر بگذارد و در نتیجه مسیر برخی واکنش‌های شیمیایی را تغییر دهد. این سازوکار از جمله فرضیه‌هایی است که برای توضیح دریافت میدان مغناطیسی در برخی جانوران مطرح شده است.

این پژوهش و مطالعات دیگری در جمله «نیچر» (Nature) نیز، تأیید نمی‌کنند که همین سازوکار عامل تغییرات مشاهده‌شده در میتوکندری مگس‌ها بوده است. بنابراین، ارتباط میان میدان مغناطیسی و عملکرد میتوکندری همچنان یک پرسش باز محسوب می‌شود.

یافته‌های پیشین نیز از یک پاسخ زیستی به میدان مغناطیسی خبر می‌دهند

مطالعه جدید نخستین پژوهشی نیست که ارتباط میان میدان مغناطیسی و فرایند‌های مرتبط با طول عمر را بررسی می‌کند. در سال ۲۰۲۲، پژوهشی در مجله «نیچر» (Nature) نشان داد که قرار گرفتن کرم لوله‌ای «کائنورابدیتیس الگانس» (Caenorhabditis elegans) در معرض میدان مغناطیسی ایستای ۱۰ میلی‌تسلا می‌تواند طول عمر میانه آن را حدود ۱۸ درصد افزایش دهد و عملکرد حرکتی کرم‌های مسن را نیز بهبود بخشد.

با این حال، شدت این میدان حدود چند صد برابر بیشتر از میدان مغناطیسی طبیعی زمین بود. بنابراین، نتایج آن مطالعه را نمی‌توان مستقیماً به نقش میدان طبیعی زمین در طول عمر تعمیم داد. خود پژوهشگران نیز بر تفاوت میان میدان طبیعی زمین و میدان مصنوعی مورد استفاده در آزمایش تأکید کرده بودند.

این تفاوت اهمیت دارد، زیرا پژوهش‌های مربوط به میدان‌های مغناطیسی از نظر شدت، مدت مواجهه و نوع موجود زنده بسیار متفاوت هستند. به همین دلیل، نمی‌توان از مجموعه این مطالعات نتیجه گرفت که افزایش یا کاهش میدان مغناطیسی به‌طور کلی برای طول عمر مفید یا مضر است.

هنوز نمی‌توان از اثر میدان مغناطیسی بر انسان سخن گفت

مهم‌ترین محدودیت مطالعه جدید آن است که آزمایش‌ها روی انسان انجام نشده‌اند. تمام آزمایش‌ها روی مگس‌های نر انجام شد و تعداد نمونه‌ها در هر گروه نیز محدود بود. علاوه بر این، اندازه‌گیری‌های مربوط به عملکرد میتوکندری بر نمونه‌های محدودی انجام شد. پژوهشگران همچنین برای بررسی اثر نقص Pink۱ از مدلی استفاده کردند که اختلال عملکرد میتوکندری را بازسازی می‌کند؛ بنابراین پاسخ این مگس‌ها الزاماً مشابه پاسخ انسان مبتلا به بیماری پارکینسون نیست.

از سوی دیگر، افزایش ۲۰ درصدی طول عمر در مگس‌های دارای نقص Pink۱ به معنای آن نیست که کاهش میدان مغناطیسی می‌تواند طول عمر انسان را افزایش دهد یا روشی برای درمان بیماری پارکینسون باشد. حتی در همین مطالعه، افزایش طول عمر با کاهش عملکرد حرکتی همراه بود.

پژوهشگران دانشگاه ناتینگهام اکنون قصد دارند بررسی این پدیده را به سلول‌های انسانی گسترش دهند. اگر آزمایش‌های سلولی بتوانند ارتباط میان میدان مغناطیسی، میتوکندری و متابولیسم سلولی را تأیید کنند، مسیر تازه‌ای برای بررسی نقش عوامل محیطی در پیری و بیماری‌های تحلیل‌برنده عصبی ایجاد خواهد شد.

میدان مغناطیسی زمین، عاملی برای جهت‌یابی بعضی جانوران

میدان مغناطیسی زمین تاکنون بیشتر به‌عنوان عاملی برای جهت‌یابی برخی جانوران شناخته شده بود، اما یافته‌های جدید منتشر شده در «سالنامه مرورهای علوم اعصاب» (Annual Review of Neuroscience) نشان می‌دهد که اثرات زیستی آن ممکن است فراتر از دریافت مغناطیسی و رفتار‌های جهت‌یابی باشد. در آزمایش‌های دانشگاه ناتینگهام، کاهش شدید این میدان فعالیت میتوکندری، تولید گونه‌های فعال اکسیژن، عملکرد حرکتی و طول عمر مگس‌های میوه را تغییر داد؛ با این تفاوت که جهت این تغییرات به وضعیت ژنتیکی و سلامت میتوکندری وابسته بود.

این نتایج هنوز نشان نمی‌دهند که میدان مغناطیسی زمین مستقیماً طول عمر انسان را تنظیم می‌کند. آنها در عوض پرسش بنیادی‌تری را مطرح می‌کنند: آیا میدان مغناطیسی بخشی از محیط فیزیکی است که سلول‌ها طی تکامل خود با آن سازگار شده‌اند و تغییر آن می‌تواند بر سامانه‌های تولید انرژی سلولی اثر بگذارد؟ پاسخ به این پرسش، به‌ویژه با انجام آزمایش روی سلول‌های انسانی، می‌تواند درک ما از ارتباط میان محیط فیزیکی، متابولیسم سلولی، پیری و بیماری‌های تحلیل‌برنده عصبی را تغییر دهد.