3. Modelos de magnetorecepção

1. 3. Modelos de magnetorecepção “Orientação magnética em animais: das bactérias até vacas” IX Escola do CBPF 2012

2. Indução magnética Se um ser vivo pode detectar campos elétricos então também poderá detectar campos magnéticos através da Lei de Indução de Faraday.

3. Indução magnética • Dentre os animais elétricos temos os que produzem descargas de alta voltagem e os que sentem campos elétricos. • Produtores de corrente elétrica: Todas as células vivas produzem quantidades mínimas de eletricidade. Porem, num animal elétrico os músculos especializados, envolvidos na geração de eletricidade, produzem milhões ou bilhões de vezes mais eletricidade que um músculo normal.

4. Indução magnética • Órgão: eletroplacas ... células musculares que em vez de se contraírem produzem eletricidade!!!

5. Indução magnética • Exemplos deste tipo de animais: Torpedo Poraquê Raia

6. Indução magnética • O órgão elétrico pode ser usado para produzir descargas....ou na tarefa de eletrorrecepção, ou seja, na detecção de campos elétricos extremamente fracos. • Nem sempre funciona para os dois objetivos.

7. Indução magnética • Família Gymnotoidei (peixes com forma de agulha) : todos possuem órgão elétrico para alta descarga e outro de descarga baixa para eletrocomunicação e eletrolocalização Eletrophorus electricus Gymnotus carapo

8. Indução magnética • Dentre os peixes eletrorreceptores temos os da família Elasmobranchia (tubarões e raias) e o da família dos Silurodei, que são peixes ósseos ao contrario dos Elasmobranchia, dentre eles os “catfish” ou peixes gato.

9. Indução magnética • Órgãos elétricos: Miogênicos: foram formados a partir de células musculares Neurogênicos: foram formados a partir de células nervosas Os órgãos miogênicos evoluíram a partir de algum tipo de célula muscular, e o tipo varia entre as espécies de peixes elétricos. Já os órgãos neurogênicos são o resultado de uma evolução secundaria dos órgãos miogênicos.

10. Indução magnética • Órgão miogênico da enguia: em 1 ms descarrega uma corrente de 1 A numa voltagem de 500 V. • Órgão neurogênico: descarrega mais vezes que um miogênico. Em alguns peixes pode descarregar até 1800 vezes por segundo.

11. Indução magnética • O órgão eletrorreceptor nos Elasmobranchia é conhecido como ampola de Lorenzini e corresponde com um órgão bulboso. • Nos teleósteos são órgãos bulbosos. • Nos Mormyridae (e outros tipos de peixes) são órgãos tuberosos.

12. Indução magnética • Órgãos bulbosos são sensíveis a baixa freqüência: usados primariamente para detectar corrente contínua ou as lentas mudanças nos campos elétricos da presa e das fontes inanimadas. Uma destas é a corrente induzida pelo movimento das massas de água, como as correntes marinhas, através do campo magnético da terra (Força de Lorentz). Estes receptores são os mais sensíveis às correntes elétricas, variando um equivalente a cerca de 1-10 Hz, dependendo da espécie.

13. Indução magnética • Órgãos tuberosos são sensíveis a alta freqüência: usados primariamente na eletrocomunicação - detectando as descargas elétricas de outros membros da mesma espécie. Os receptores tuberosos são os mais sensíveis às flutuações das correntes elétricas de cerca de 100-1.000 Hz, dependendo da espécie e mesmo do indivíduo.

14. Indução magnética • Assim, o movimento de um peixe com sensibilidade elétrica num campo magnético induz uma corrente elétrica que pode ser sentida pelo peixe. • O aspecto que prevalece é o relativista: o movimento relativo num campo magnético induz um campo elétrico.

15. Indução magnética • O movimento de um sistema condutor num campo magnético deve produzir uma corrente perpendicular ao campo magnético e ao vetor velocidade do sistema • Um sistema detector de campos elétricos deve ser sensível a esta corrente induzida

16. Indução magnética NORTE MAGNÉTICO CORRENTES ELÉTRICAS INDUZIDAS VELOCIDADE DO TUBARÃO COMPONENTE HORIZONTAL DO CAMPO GEOMAGNÉTICO

17. Indução magnética • Porem as correntes de água também produzem correntes elétricas que podem interferir na corrente induzida • Como o animal distingue ambas correntes? • Uma solução: detecção do campo oscilante gerado na ampola de Lorenzini quando o peixe mexe a cabeça de ida e volta...

18. Olhos, ouvidos e nariz fechados quando ele faz mergulhos noturnos Indução magnética..... Ornitorrinco....

19. 40,000 eletrorreceptores 40,000 mecanorreceptores no bico Indução magnética.....

20. Indução magnética..... Echidna comedor de insetos • Bico curto – Australia • 400 eletrorreceptores • Alimenta-se de cupins

21. Indução magnética..... Echidna comedor de vermes • Bico largo – Nova Guinea • 2000 eletrorreceptores • Alimenta-se de vermes

22. Detecção com luz • Em 1977, M. Leask publica na revista Nature uma proposta de modelo ressonante para explicar a magnetorecepção em pássaros. • Neste modelo, ele propunha a criação de pares de radicais livres fotoexitados, ou seja, teriam que estar envolvidas moléculas fotoativas. • A primeira molécula proposta foi a rodopsina.

23. Detecção com luz • O modelo de Leask era bastante primitivo, mas foi capaz de predizer comportamentos que depois foram observados experimentalmente. • Atualmente este modelo tem sido modificado muito, e hoje é conhecido como o modelo da produção de pares de radicais. • A idéia é que fotomoléculas no estado base são exitadas para estados tripletes após absorver luz. Na relaxação destes estados exitados, alguns estados transitórios podem reagir com outras moléculas usando para isto campos magnéticos externos.

24. Detecção com luz

25. Detecção com luz

26. Detecção com luz

27. Detecção com luz

28. Detecção com luz

29. Detecção com luz

30. Detecção com luz

31. Outros modelos químicos... • ICR : Ressonância Ciclotrônica de Íons Permite explicar os efeitos observados de campos magnéticos oscilantes em diferentes organismos vivos.

32. Hipótese ferromagnética Propriedades magnéticas da matéria • Um material na presença de um campo magnético externo B apresenta uma magnetização M (momento magnético) por unidade de volume. • A relação entre ambos parâmetros pode ser escrita da seguinte forma: M = cB

33. Propriedades magnéticas da matéria c é conhecida como a susceptibilidade magnética. • Se c < 0 então, o material é DIAMAGNÉTICO. • Se c > 0 então, o material pode ser PARAMAGNÉTICO ou FERROMAGNÉTICO, dependendo de seu valor e do comportamento de M em função da temperatura e do campo magnético aplicado.

34. Diamagnetismo • Lei de Lenz: quando o fluxo magnético aplicado através de um circuito muda, uma corrente induzida aparece numa direção tal que se oponha à mudança de fluxo. • Reflexo natural da resistência às mudanças num sistema.

35. Diamagnetismo • Podemos pensar que os elétrons, na presença de um campo magnético B0 irão precessar em volta do eixo do campo com velocidade angular:

36. Diamagnetismo • Isto implica numa corrente elétrica I: onde Z é o número atômico do elemento, e é a carga elétrica do elétron, M é a massa do elétron e o sinal negativo vem da carga negativa do elétron.

37. Diamagnetismo • Esta corrente induzida no átomo está relacionada com um momento magnético: onde A é a área formada pelo circuito de corrente e < r2 > é o valor médio do quadrado da distância dos elétrons ao eixo do campo magnético

38. Diamagnetismo • A magnetização por unidade de volume na matéria será então: onde N é o número de átomos por unidade de volume e < r2 > é o valor médio do quadrado da distância ao centro do átomo

39. Diamagnetismo • Assim, observamos que a susceptibilidade magnética deve ser:

40. Diamagnetismo • Observamos que na dedução anterior não foi feita nenhuma restrição aos átomos, o que mostra que TODA A MATERIA É DIAMAGNÉTICA. • O valor de c é negativo e não depende da temperatura. • Se o campo magnético aplicado for muito intenso, então pode-se levitar um objeto.

41. Diamagnetismo LEVITAÇÃO DIAMAGNETICA

42. Diamagnetismo Levitação diamagnética numa rã

43. Diamagnetismo Levitação diamagnética num grilo

44. Diamagnetismo

45. Paramagnetismo • Agora vamos analisar o que acontece num átomo quando ele está na presença de um campo magnético. • Para átomos com elétrons desemparelhados observamos que o momento magnético pode ser escrito quanticamente como: mB é o magneton de Bohr

46. Paramagnetismo • Os níveis de um sistema atômico num campo magnético: onde mJ é o número quântico azimutal e tem os valores –J, -J+1,....J-1, J Para átomos com um elétron de valência, sem momento orbital, temos que mJ = ±1/2 e g=2, de onde U = ±mBB

47. Paramagnetismo • Supondo que o sistema analisado tem só dois níveis de energia, existirão duas populações em equilíbrio, cujos tamanhos serão dados por uma estatística de Boltzmann:

48. Paramagnetismo • N1 e N2 são as populações dos níveis inferiores e superiores respectivamente, e N = N1 + N2 é o número total de átomos no sistema. • O momento para cada átomo em N1 é m, e para cada átomo em N2 é –m. Assim: onde

49. Paramagnetismo • Se o átomo tiver momento angular orbital, na presença de um campo magnético B o número quântico J terá 2J+1 níveis de energia com separações iguais. • Neste caso a magnetização será:

50. Paramagnetismo • BJ é a função de Brillouin: onde