Гігантські магнітні скам'янілості розкрили навігаційну систему

Міжнародна група дослідників змогла детально проаналізувати таємничі магнітні частинки незвичайно великого розміру, які зараз знаходять у вигляді скам'янілостей у морських відкладах. Ці частинки утворювали давні морські організми, і нове дослідження показує, що вони могли слугувати своєрідною вбудованою системою навігації.

Кілька років тому в морських відкладах виявили загадкові частинки магнетиту. Ці магнетитові частинки виявилися винятково великими — приблизно в 10−20 разів більшими за звичайні магнетитові магнітні скам'янілості, які виробляють магнітотактичні бактерії для пасивної орієнтації в магнітному полі Землі.

Гігантські магнітні скам'янілості спостерігають у різних формах, включаючи голки, веретена, кулі та списи. Досі невідомо, які саме організми могли формувати ці гігантські частинки магнетиту і з якою метою їх використовували.

Хоча деякі гігантські магнітні скам'янілості за формою нагадують звичайні магнітні скам'янілості, їхній незвичайно великий розмір вважався поганою оптимізацією лише для магнітного вирівнювання. Натомість прийнятною версією було те, що деякі живі істоти використовували такі частинки магнетиту насамперед як захисний щит від хижаків через їхню механічну твердість, що означало, що їхні магнітні властивості не відігравали значної ролі. Однак не всі дослідники переконані цією теорією.

Серхіо Валенсія, фізик з Берлінського центру Гельмгольца, та дослідник палеомагнетизму Річард Гаррісон з Кембриджського університету в Великій Британії вирішили перевірити альтернативну гіпотезу. Вони припустили, що ці істоти справді використовували магнітні властивості цих частинок для навігації за допомогою магнітного поля Землі, виявляючи невеликі варіації інтенсивності та напрямку поля — свого роду вбудована магнітна система глобального позиціонування.

Щоб перевірити цю ідею, було необхідно відобразити тривимірну магнітну структуру магнітних скам'янілостей, що дозволило б оцінити магнітну енергію та пов'язані з нею сили, що діють на частинки в локальному магнітному полі Землі.

Гаррісон та Валенсія дослідили частинку у формі списа діаметром 1,1 мікрометра та довжиною 2,25 мікрометра. Вона надійшла від команди Ляо Чана з Пекінського університету і була знайдена в морських відкладах у Північній Атлантиці віком близько 56 мільйонів років.

Основною проблемою було дослідити внутрішню магнітну структуру цього досить товстого зразка без розрізання та руйнування, оскільки це змінює структуру магнітних доменів. Це вдалося зробити в рентгенівському джерелі Diamond в Оксфорді, Великобританія, використовуючи нову методику, розроблену Клер Доннеллі з Інституту хімічної фізики твердого тіла Макса Планка в Дрездені, Німеччина.

Так звана рентгенівська магнітна кругова дихроїзм-птихографія дозволила візуалізувати структуру магнітних доменів у повному обсязі зразка неруйнівним способом.

«Це була справді міжнародна співпраця за участю експертів з різних галузей, які працювали разом, щоб пролити світло на можливу функціональність цих магнітних скам'янілостей», — каже Серхіо Валенсія, головний дослідник, який ініціював та координував роботу.

Команда змогла відобразити весь обсяг зразка в трьох вимірах та з високою роздільною здатністю. «За допомогою магнітної векторної томографії всі три компоненти намагніченості можна було реконструювати та просторово розрізнити по всьому об'єму зерна з роздільною здатністю кілька десятків нанометрів», — каже Валенсія, підкреслюючи: «Після того, як ми налаштуємо наступне джерело BESSY III, такі вимірювання можна буде проводити й у Берліні».

Результати показують, що частинка магнетиту містить єдиний магнітний вихор, який реагує на просторові коливання магнітного поля Землі сильними силами і таким чином міг би надати організму точний спосіб картографування інтенсивності магнітного поля Землі, забезпечуючи магнітну навігацію.

«Морські організми, наприклад риба, могли використовувати цю властивість для магнітної навігації», — каже Гаррісон. Навіть якщо досліджені тут частинки спочатку розвинулися як захисна броня, можливо, що в ході еволюції їхні нащадки також використовували ці частинки як навігаційний інструмент.

Використання магнітного поля Землі для навігації є широко поширеним явищем сьогодні, яке спостерігається у молюсків, земноводних, риб, рептилій, птахів та ссавців.

Гігантські магнітні скам'янілості знайдені в відкладах віком до 97 мільйонів років, що надає скам'янілі докази того, що магніторецептивна навігація розвинулася принаймні так давно.

«Частинки оксиду заліза, схожі на ті, що виробляють деякі бактерії на Землі, були виявлені на марсіанському метеориті ALH84001, хоча їхнє біологічне походження активно оспорюється. Оскільки ми продовжуємо пошук доказів життя на Марсі через місії з повернення зразків, тепер у нас є метод для дослідження будь-яких нових потенційних магнітних скам'янілостей і надання доказів на підтримку або спростування їхнього біологічного походження», — каже Річард Гаррісон.

«Було б дуже цікаво використовувати цю експериментальну техніку для оцінки морфологічних та магнітних відбитків тих частинок оксиду заліза. Це могло б допомогти в пошуку доказів минулого життя», — каже Валенсія.

Дослідження опубліковане в журналі Communications Earth & Environment.