Kvantový kompas v oku červenky: jak ptáci vidí magnetické pole + test

Obsah

• Hádanka stará přes 50 let
• Kompas postavený z chemické reakce
• Radikálové páry, tedy kde přichází ke slovu kvantová fyzika
• Důkaz poskytuje červenka
• Vybavení, které dříve neexistovalo
• Oko, které žije s nedostatkem kyslíku
• Závěrečný test: výměna uhlíku
• Proč potřebujeme ptačí kompas
• Stručně
• Pět otázek: jaký jsi navigátor? (test)

⇑Hádanka stará přes 50 let

Stěhovaví pěvci jsou opravdová lehká váha. Váží méně než 50 gramů, a přesto každý rok v noci překonají tisíce kilometrů, aby dorazili na zimoviště. Na cestě se spoléhají na několik navigačních systémů najednou: sledují hvězdy, pamatují si orientační body a řídí se čichem. Navíc dokážou vnímat směr slabého magnetického pole Země.

A tady začíná problém. Výzkum tohoto smyslu trvá už víc než 50 let a mechanismus je dosud neznámý. Víme, že funguje. Nevíme jak.

⇑Kompas postavený z chemické reakce

Právě tuto otázku si vzal za cíl projekt QuantumBirds. Financuje ho Evropská rada pro výzkum a koordinuje Oxfordská univerzita. Sedm let v něm spolupracovali specialisté z velmi různých oborů: kvantové mechaniky, spinové chemie, behaviorální biologie a biochemie.

Hypotéza, kterou ověřovali, je odvážná. Ptáci by magnetické pole doslova viděli díky chemickým reakcím probíhajícím v oku. Peter Hore, jeden z hlavních řešitelů projektu, nezastírá, že to zní podivně: „Na první pohled se myšlenka, že by chemická reakce mohla sloužit jako kompas, zdá absurdní.“

Není se čemu divit. Jak vysvětluje Hore, síla působení mezi jednou molekulou a magnetickým polem Země je jen miliontinou síly typické chemické vazby. Takový podnět se zdá příliš slabý na to, aby cokoli změnil.

⇑Radikálové páry, tedy kde přichází ke slovu kvantová fyzika

Klíč leží v proteinech zvaných kryptochromy, které se nacházejí v sítnici ptáků. Podle badatelů v nich světlo spouští vznik radikálových párů – krátce žijících molekulových systémů, v nichž se dějí věci, jaké by člověk čekal spíš v učebnici kvantové fyziky než v biologii.

„Když světlo dopadne na tyto proteiny, vzniklé radikálové páry existují ve stavu kvantové superpozice,“ vysvětluje Peter Hore. A dodává: „Vzhledem k tomuto křehkému kvantovému stavu je výtěžek chemické reakce velmi citlivý na směr vnějšího magnetického pole.“

Jinými slovy: jak účinně reakce probíhá, závisí na tom, jak je pták natočen vůči poli Země. A protože se všechno odehrává v oku, informace přichází přesně tam, kde je potřeba. „Navigační data se tak vlastně zapisují přímo do zrakového systému ptáka,“ říká Hore.

⇑Důkaz poskytuje červenka

Teorie je jedna věc, ale bylo třeba důkazu. Tým prokázal, že kryptochrom-4a z červenky obecné je citlivý na slabá magnetická pole. Badatelé to považují za první přímý důkaz, že tato molekula takovou vlastnost má. Pro hypotézu kvantového kompasu je to silná opora.

⇑Vybavení, které dříve neexistovalo

Aby mohli nahlédnout tak hluboko do ptačího oka, museli vědci nejprve sestrojit vlastní nástroje. Patřily mezi ně:

• vysoce citlivé spektrometry, které zachytí nepatrné změny v proteinech;
• vysokokapacitní zařízení, které přečistilo více než 40 variant proteinů od různých druhů ptáků;
• první nemagnetický dvoufotonový přístroj pro zobrazování vápníku na světě, který umožňuje zaznamenávat magnetické signály v neuronech sítnice.

Poslední z nich je obzvlášť důležitý, protože badatelům umožňuje sledovat nejen samotné proteiny, ale i odezvu nervových buněk.

⇑Oko, které žije s nedostatkem kyslíku

Cestou vyšlo najevo něco překvapivého. Vnitřní část ptačí sítnice pracuje při stálém nedostatku kyslíku. Tento objev vysvětluje, proč výzkum této části oka v uplynulých desetiletích postupoval tak pomalu: podmínky v laboratoři se prostě neshodovaly s těmi v živém organismu.

⇑Závěrečný test: výměna uhlíku

Vědci nyní připravují pokus, který má věc rozhodnout. „Jsme na prahu definitivní odpovědi díky důmyslné izotopové výměně,“ oznamuje Henrik Mouritsen, druhý z hlavních řešitelů.

Myšlenka spočívá v tom, že se přirozený uhlík-12 v molekulách flavinů v ptačím oku nahradí těžším uhlíkem-13. Počítačové simulace ukázaly, že taková výměna by měla změnit reakci ptáků na rušení způsobené rádiovými vlnami. Tým už vytvořil způsob, jak do ptačích očí zavést flaviny s uhlíkem-13, a provádí behaviorální testy, které ukážou, zda změna ovlivní jejich orientační smysl.

Sázky jsou vysoké. „Úspěšný výsledek poskytne nezpochybnitelný důkaz tohoto kvantového kompasu,“ zdůrazňuje Mouritsen.

⇑Proč potřebujeme ptačí kompas

Přestože jde o základní výzkum, jeho výsledky se mohou ukázat jako užitečné v překvapivě praktických věcech. Pochopení toho, jak si stěhovaví ptáci volí směr, by mohlo pomoci nasměrovat je k biotopům odolným vůči změně klimatu místo k degradovaným oblastem. Podobné mechanismy fungují také v organických světelných diodách, takže na tomto základě by bylo možné vytvořit levné a netoxické magnetické senzory. Další myšlenkou jsou navigační systémy, které si poradí tam, kde je signál GPS blokován nebo rušen.

⇑Stručně

Pěvci možná nosí v očích kompas, který funguje díky kvantové fyzice. Tým QuantumBirds prokázal, že protein kryptochrom-4a červenky reaguje na slabé magnetické pole, vyvinul nové vybavení ke zkoumání sítnice a zjistil, že její vnitřní část žije s nedostatkem kyslíku. Pokus s výměnou uhlíku má přinést konečnou odpověď a mimochodem nabídnout nápady pro ochranu přírody a navigaci bez GPS.

⇑Pět otázek: jaký jsi navigátor? (test)