Ptaki mają tajemniczy "kwantowy zmysł"

Choć o tym zjawisku teoretyzowano niemal 50 lat, to brakowało empirycznego potwierdzenia. Kwantową sztuczkę pozwalającą nawigować podczas podróży na duże odległości udało się rozgryźć naukowcom z uniwersytetu w Tokio.

Posługując się dostosowanym do potrzeb analizy mikroskopem wykrywającym nawet najdrobniejsze błyski światła, badacze zaobserwowali jak wyhodowane przez nich ludzkie komórki zawierające światłoczułe białko w dynamiczny sposób reagują na zmiany w polu magnetycznym.

Zarejestrowana zmiana pasowała do założeń dotyczących funkcjonowania teoretycznego mechanizmu kwantowego, który to ma być odpowiedzialny za iluminacyjną reakcję komórek.

Fot. Xu Tao, CC BY-SA.

– W żaden sposób nie zmodyfikowaliśmy tych komórek. Jesteśmy przekonani, że zaobserwowaliśmy czysto kwantowy proces w akcji modyfikującej aktywność chemiczną komórek – tłumaczy w informacji prasowej biofizyk Jonathan Woodward.

W teoretycznych jeszcze rozważaniach nad samą naturą zjawiska wpływu mechaniki kwantowej na biochemię komórek kluczowe są, a obecne także u człowieka, fotoreceptrory (białka) siatkówki oka zwane kryptochromami (są m.in. związane z regulacją rytmu dobowego).

Trzeba dodać, że jest to niepotwierdzona i posiadająca wielu krytyków hipoteza. Są też naukowcy dla których ziemskie pole magnetyczne jest zbyt słabe, by kryptochromy je wykrywały. Mamy też badania z Chin dowodzące, że ”magnetycznym zmysłem” stoi białko MagR wiążące się zarówno z żelazem, jak i kryptochromami (białko to w polu magnetycznym zachowuje się jak igła kompasu).

Inna sprawa, że ludzie mają w komórkach oka kryptochromy, a jednak pola magnetycznego nie widzimy. A przynajmniej nie mamy jego świadomości. I tu właśnie miejsce dla badań z Tokio. Dowodzą one, że przynajmniej na poziomie biochemicznym jesteśmy w stanie wykrywać ziemski magnetyzm.

Fot. Ikeya, Woodward, CC BY-SA.

Naukowcy z japońskiej uczelni kulturę komórek zawierających kryptochromy zalali niebieskim światłem wywołując bardzo delikatną reakcję fluorescencji. Emanującą lekkim blaskiem szalkę z komórkami wielokrotnie poddawano działaniu zmiennego pola magnetycznego.

Zauważono, że gdy tylko linia pola przechodziła przez komórki, blask przygasał o 3,5 proc. Wystarczająco, by wyłapał to mikroskop o podkręconej do maksimum czułości. To, w jaki sposób pole magnetyczne wpływa na fotoreceptor zależy od cechy wewnętrznej elektronów zwanej spinem.

Spin to moment cząstki elementarnej, rodzaj wielkości fizycznej która charakteryzuje magnetyczne właściwości elektronu. Elektrony mogą się różnić jedynie jego orientacją (↑ oraz ↓), a nie wartością. Pole magnetyczne wpływa na spin.

Gdyby uporządkować elektrony wokół atomu w odpowiedni sposób i zebrać ich w jednym miejscu wystarczająco dużo, to uzyskaną masą tej materii można poruszyć nawet słabym polem magnetycznym, choćby takim jakie otacza Ziemię. Wystarczy, żeby ustawić igłę kompasu w odpowiednim kierunku.

Zważywszy, że w czaszce psa czy ptaka nie ma jakiegoś kawałka materii, na który można w oczywisty sposób wpłynąć polem magnetycznym, zajmujący się tym zjawiskiem fizycy operują w znacznie mniejszej skali, tłumaczy Science Alert .

Rosyjski zoolog Aleksander von Middendorf istnienie magnetorecepcji u ptaków założył już w 1855 roku. Jego teorię nieco ponad 100 lat później potwierdzili niemieccy fizycy Wolfgang Wiltschko i Friedrich Merkel, przepuszczając pole magnetyczne przez woliery z rudzikami (Erithacus rubecula) i co skutecznie uniemożliwiało im nawigację.

W 1978 roku temu Klaus Schulten, naukowiec niemieckiego instytutu Maxa Plancka, stworzył teorię opisującą możliwą reakcję wpływu pól magnetycznych na reakcje chemiczne. Istotnym jej elementem było tworzenie par przez „radykalne” elektrony, czyli istniejących samotnie na orbitalach układów rodnikowych.

Większość elektronów w atomach i cząsteczkach występuje parami, po dwa na każdy orbital. Układ rodnikowy, gdzie na orbitalu występuje jeden elektron, dąży do przyjęcia lub oddania elektronu korzystając z pomocy innego atomu lub cząsteczki. Takie rodniki są więc bardzo reaktywne.

Gdy taki singiel dobierze sobie identycznego kolegę, obaj zaczynają się zachowywać jak kumple w barze poszukujący towarzystwa dziewczyn. Choć grają każdy na siebie, to na jakimś poziomie są jednak razem. W przypadku elektronów mówimy wówczas o splątaniu kwantowym. Takie elektrony mają odpowiadające sobie spiny niezależnie od dzielącego ich dystansu.

Podobnie jak związków między dobrymi kolegami, takiej korelacji samotnych elektronów nie da się wyjaśnić czysto fizycznym połączeniem. Tu działają procesy na poziomie kwantowym na tyle dziwne, że Albert Einstein nazywał je, w zależności od tłumaczenia, „strasznymi” lub „upiornymi” (ang. spooky).

Według teorii Schultena, gdy światło trafia w światłoczułe białko w siatkówce ptasiego oka, wytrąca z molekuły elektron i przerzuca go do drugiej, położonej najbliżej. Tym samym dwie molekuły łączy na krótką chwilę para splątanych kwantowo radykalnych elektronów.

Choć zaraz potem z ich reakcji powstaje jakiś chemiczny produkt uboczny, to jednak w trakcie całej reakcji ów produkt uboczny jest podatny na kierunek (stan) spinu radykalnych elektronów. W krótkim czasie istnienia ich kwantowego splątania (mikrosekundy), kierunek spinu może być modyfikowany jeżeli np. ptak poruszy głową zgodnie z kierunkiem ziemskiego pola magnetycznego.

W konsekwencji ptak może zacząć „widzieć” zmianę wskazówek pomagających w nawigacji. Tak odczuwałby nowy typ produktów ubocznych powstający w jego oczach. Choć splątanie kwantowe wygasa bardzo szybko, produkty reakcji chemicznych „zapamiętują” ich stan kwantowy i pozwalają utrzymać kierunek do celu. Tak właśnie działać w praktyce może magnetorecepcja.

Schulten nie wiedział o tym, że jego teoretyczne białko istnieje. I że na kryptochromy można wpływać. To pokazały późniejsze odkrycia, np. poprzez eksperymenty z muszkami owocówkami, które genetycznie pozbawiano możliwości produkowania tego białka. Owady kompletnie gubiły się w przestrzeni - donosi Guardian.

Wpływając na spin elektronów wpływa się na atomy do których należą, a więc i komórki z nich zbudowane. Mówimy tu o wpływie niewielkim, bardzo subtelnym, ale jednak mierzalnym. Tak wskazywałyby wyniki doświadczenia z Tokio.

Gdy podczas eksperymentu przepuszczono pole magnetyczne przez komórki, zauważone osłabienie fluorescencji wskazuje, że wpłynięto na dobieranie się radykalnych par, zauważa Science Alert. .

– To, co nam w tym badaniu przynosi największą radość, to możliwość obserwowania jak związek między spinami dwóch pojedynczych elektronów może mieć daleko idący wpływ na procesy biologiczne – skomentował w informacji prasowej Woodward.​