El mecanismo subyacente para la magnetorrecepción probablemente difiere del de otros insectos

Las hormigas del desierto de la especie Cataglyphis nodus utilizan el campo magnético de la Tierra para la orientación espacial, pero estos diminutos insectos dependen de un componente diferente al de otros insectos. Así lo informó un equipo de investigación dirigido por la doctora Pauline Fleischmann de la Universidad de Oldenburg, Alemania, en la revista Current Biology. Como explica el equipo en su artículo, esto sugiere que también utilizan un mecanismo de magnetorrecepción diferente al de la mayoría de los insectos estudiados hasta la fecha, incluidas, por ejemplo, las famosas mariposas monarca. Los investigadores sospechan que la magnetorrecepción en estas hormigas del desierto se basa en un mecanismo que involucra pequeñas partículas del mineral de óxido de hierro, magnetita u otras partículas magnéticas.

Hipótesis

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Se mantiene un animado debate entre los científicos sobre cómo funciona exactamente la magnetorrecepción en los animales y en qué mecanismo físico se basa. Una hipótesis en discusión lo relaciona con un efecto cuántico dependiente de la luz conocido como mecanismo de pares radicales. Se cree que pequeños pájaros cantores y posiblemente también insectos como las mariposas monarca utilizan este mecanismo. El Centro de Investigación Colaborativa “Magnetorrecepción y Navegación en Vertebrados”, dirigido por el biólogo Prof. Dr. Henrik Mouritsen de la Universidad de Oldenburg, ha reunido pruebas sustanciales que apoyan esta hipótesis.

En química orgánica, el mecanismo de pares radicales se refiere a la reacción química en la que un par de electrones se desapareja de una molécula, creando un radical libre. Este radical libre es extremadamente reactivo y puede participar en una variedad de reacciones químicas, incluyendo la formación de enlaces covalentes y la transferencia de electrones.

Otra hipótesis es que en algunos animales la magnetorrecepción se basa en diminutas partículas magnéticas en células sensoriales o nerviosas que apuntan hacia el norte magnético, de forma similar a la aguja de una brújula. En la actualidad hay evidencias considerables de que, en la naturaleza, ocurren ambas formas de magnetorrecepción. Así, las palomas, los murciélagos y las tortugas marinas, por ejemplo, parecen percibir el campo geomagnético a través de partículas magnéticas.

¿Cómo pueden, los experimentos conductuales, distinguir entre diferentes mecanismos de magnetorrecepción?

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Como los mecanismos propuestos para la magnetorrecepción se basan en diferentes principios físicos, se pueden diseñar experimentos conductuales para determinar qué mecanismo es utilizado por diferentes animales. Los científicos parten de la premisa de que los animales con un sentido magnético basado en partículas son sensibles a la dirección norte-sur del campo geomagnético, es decir, a su “polaridad”, mientras que los que se basan en el mecanismo de pares radicales perciben la inclinación, es decir, el ángulo entre las líneas del campo geomagnético y la superficie de la Tierra.

Retomemos con las hormigas del desierto

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Para obtener más información sobre cómo funciona el sentido magnético de las hormigas del desierto, Fleischmann, junto con el Dr. Robin Grob (ahora en la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología, Trondheim, Noruega), Johanna Wegmann y el Prof. Dr. Wolfgang Rössler de la Universidad de Würzburg, Alemania, investigaron qué componente del campo magnético de la Tierra son capaces de detectar estos insectos: la inclinación o la polaridad. En 2018, mientras Fleischmann realizaba su doctorado en la Universidad de Würzburg, el equipo de investigación descubrió que las hormigas del desierto poseen un sentido magnético. Fleischmann es investigadora en el CRC de Oldenburg desde 2022.

En el estudio sobre el que nos informamos aquí, los investigadores expusieron a las hormigas de una colonia en Grecia a varios campos magnéticos manipulados. Para ello, colocaron bobinas de Helmholtz sobre la entrada del nido y guiaron a las hormigas que emergían del nido a través de un túnel hasta una plataforma experimental en el centro de las bobinas, donde luego fueron filmadas mientras realizaban sus “caminatas de aprendizaje”, un comportamiento que muestran las hormigas del desierto cuando abandonan su nido por primera vez. Fleischmann había descubierto, mientras completaba su proyecto doctoral, que las hormigas utilizan el campo magnético de la Tierra para memorizar la dirección de la entrada del nido durante estos paseos de aprendizaje: interrumpen repetidamente su movimiento de avance para detenerse y mirar en la dirección de la entrada del nido. Los investigadores sospechan que las hormigas están utilizando el campo magnético para entrenar su memoria visual. Los resultados de un estudio sobre el desarrollo del cerebro de las hormigas, que el equipo ha publicado recientemente en la revista científica PNAS, parecen confirmarlo.

Las hormigas ignoraron la inclinación

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En este estudio tan atrayente, por la minuciosa descripción, los investigadores expusieron a las hormigas a campos magnéticos artificiales que apuntaban en una dirección diferente al campo magnético natural de la Tierra. El equipo descubrió que si sólo cambiaban el componente vertical del campo, la inclinación, esto no tenía ningún efecto en la dirección de la mirada de las hormigas: continuaron mirando hacia la ubicación de la entrada del nido durante sus caminatas de aprendizaje. Sin embargo, si la polaridad del campo, es decir, el eje norte-sur, se giraba 180 grados, las hormigas suponían que la entrada del nido estaba en un lugar completamente diferente.

En base a estos resultados, los investigadores concluyeron que, a diferencia de las mariposas monarca o los pájaros cantores, las hormigas no utilizan la inclinación del campo geomagnético, que probablemente sea más útil para la migración a larga distancia. En cambio, confían en la polaridad del campo para navegar durante sus caminatas de aprendizaje. “Este tipo de brújula es especialmente útil para la navegación en distancias comparativamente cortas”, subrayó Fleischmann.

Se sabe desde hace mucho tiempo que las hormigas del desierto tienen excelentes habilidades de navegación: viven en las salinas sin rasgos distintivos del Sahara del norte de África o en los bosques de pinos de Grecia, donde hay pocos puntos de referencia para orientarse, y pueden alejarse cientos de metros de su nido para buscar comida. Cuando abandonan el nido, se mueven en zig-zag, pero una vez que han encontrado comida regresan a la entrada del nido en línea recta. El descubrimiento de que las hormigas, que junto con las abejas y las avispas pertenecen al orden de los himenópteros, utilizan un mecanismo diferente para la magnetorrecepción de otras especies de insectos como las mariposas o las cucarachas también abre nuevas vías para estudiar la evolución de esta forma especial de percepción sensorial en el reino animal, observó Fleischmann.

• El paper Cataglyphis ants have a polarity-sensitive magnetic compass, basado en estudios experimentales sobre animales, fue publicado en Current Biology. Autores: Robin Grob ∙ Johanna W. Wegmann ∙ Wolfgang Rössler & Pauline N. Fleischmann.

English version

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Desert ants use the polarity of the geomagnetic field for navigation

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Underlying mechanism for magnetoreception probably differs from that in other insects

Desert ants of the Cataglyphis nodus species use the Earth’s magnetic field for spatial orientation, but these tiny insects rely on a different component of the field than other insects, a research team led by Dr. Pauline Fleischmann from the University of Oldenburg, Germany, reports in the journal Current Biology. As the team explains in its paper, this suggests that they also use a different mechanism for magnetoreception than most insects studied to date, including, for example, the famous monarch butterflies. The researchers suspect that magnetoreception in these desert ants is based on a mechanism involving tiny particles of the iron oxide mineral magnetite or other magnetic particles.

How exactly magnetoreception works in animals, and what physical mechanism it is based on is still the subject of lively debate among scientists. One hypothesis under discussion is a light-dependent quantum effect known as the radical-pair mechanism. Small songbirds and possibly also insects such as monarch butterflies are thought to use this mechanism. The Collaborative Research Centre “Magnetoreception and Navigation in Vertebrates” led by biologist Prof. Dr. Henrik Mouritsen at the University of Oldenburg has gathered substantial evidence supporting this hypothesis.

Another hypothesis is that in some animals magnetoreception is based on tiny magnetic particles in sensory or nerve cells that point to the magnetic North, in a similar way to a compass needle. There is now considerable evidence that both forms of magnetoreception occur in nature. Pigeons, bats and sea turtles, for example, appear to sense the geomagnetic field via magnetic particles.

Behavioral experiments can distinguish between different mechanisms of magnetoreception

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Since the proposed mechanisms for magnetoreception are based on different physical principles, behavioral experiments can be designed to determine which mechanism is used by which animals. The scientists part from the premise that animals with a particle-based magnetic sense are sensitive to the north-south direction of the geomagnetic field, in other words its “polarity”, whereas those that rely on the radical-pair mechanism perceive the inclination, i.e. the angle between the geomagnetic field lines and the Earth’s surface.

To gain more insights into how the magnetic sense of desert ants functions, Fleischmann, together with Dr. Robin Grob (now at the Norwegian University of Science and Technology, Trondheim, Norway), Johanna Wegmann and Prof. Dr. Wolfgang Rössler from the University of Würzburg, Germany, investigated which component of the Earth’s magnetic field these insects are able to detect: the inclination or the polarity. In 2018, while Fleischmann was doing her PhD at the University of Würzburg, the research team discovered that desert ants possess a magnetic sense. She has been a Research Fellow in the Oldenburg CRC since 2022.

In the current study, the researchers exposed ants from a colony in Greece to various manipulated magnetic fields. For this, they set up Helmholtz coils above the entrance of the nest and guided ants that emerged from the nest through a tunnel to an experimental platform at the centre of the coils where they were then filmed while performing their “learning walks” – a behaviour that desert ants display when they leave their nest for the very first time. Fleischmann had discovered while completing her doctoral project that the ants use the Earth’s magnetic field to memorize the direction of the nest entrance during these learning walks: they repeatedly interrupt their forward movement to stop and look in the direction of the nest entrance. The researchers suspect that the ants are using the magnetic field to train their visual memory. The results of a study on the ants’ brain development which the team recently published in the scientific journal PNAS appear to confirm this.

Changing the inclination had no effect on the ants’ behaviour

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In the current study, the researchers exposed the ants to artificial magnetic fields that pointed in a different direction to the Earth’s natural magnetic field. The team found that if they only changed the vertical component of the field, the inclination, this had no effect on the direction of the ants’ gaze: they continued to look towards the location of the nest entrance during their learning walks. However, if the polarity of the field, i.e. the north-south axis, was rotated by 180 degrees, the ants surmised that the nest entrance was at a completely different location.

Based on these results, the researchers conclude that unlike monarch butterflies or songbirds, ants do not use the inclination of the geomagnetic field, which is probably more useful for long-distance migration. Instead, they rely on the polarity of the field to navigate during their learning walks. “This type of compass is particularly useful for navigation over comparatively short distances,” Fleischmann emphasises.

Desert ants have long been known to have excellent navigational skills: they live in the featureless salt pans of the North African Sahara or in pine forests in Greece where there are few landmarks to use for orientation, and they may move hundreds of metres away from their nest to forage for food. When they leave the nest, they move in a zig-zag pattern, but once they have found food they return to the nest entrance in a straight line. The discovery that ants, which along with bees and wasps belong to the Hymenoptera order, use a different mechanism for magnetoreception other insect species such as butterflies or cockroaches also opens up new avenues for studying the evolution of this special form of sensory perception in the animal kingdom, Fleischmann observes.

• The paper Cataglyphis ants have a polarity-sensitive magnetic compass, about experimental studies on animals, was published in Current Biology. Authors: Robin Grob ∙ Johanna W. Wegmann ∙ Wolfgang Rössler & Pauline N. Fleischmann.