Квантовий компас в оці зарянки: як птахи бачать магнітне поле + test

Зміст

• Загадка, якій понад 50 років
• Компас, збудований із хімічної реакції
• Радикальні пари, або Де в гру вступає квантова фізика
• Доказ дає зарянка
• Обладнання, якого раніше не існувало
• Око, що живе за нестачі кисню
• Остаточна перевірка: заміна вуглецю
• Навіщо нам компас птахів
• Коротко
• П’ять запитань: який ти навігатор? (тест)

⇑Загадка, якій понад 50 років

Співочі птахи-мігранти — справжня легка вага. Вони важать менше ніж 50 грамів, а проте щороку вночі долають тисячі кілометрів, щоб дістатися місць зимівлі. У дорозі вони покладаються одразу на кілька навігаційних систем: стежать за зорями, запам’ятовують орієнтири й керуються нюхом. До того ж вони здатні відчувати напрямок слабкого магнітного поля Землі.

І тут починається проблема. Дослідження цього чуття тривають понад 50 років, а механізм досі невідомий. Ми знаємо, що він працює. Не знаємо як.

⇑Компас, збудований із хімічної реакції

Саме це питання взявся розв’язати проєкт QuantumBirds. Його фінансує Європейська дослідницька рада, а координує Оксфордський університет. Сім років у ньому працювали фахівці з дуже різних галузей: квантової механіки, спінової хімії, поведінкової біології та біохімії.

Гіпотеза, яку вони перевіряли, смілива. Птахи буквально бачили б магнітне поле завдяки хімічним реакціям, що відбуваються в оці. Пітер Гор (Peter Hore), один із головних дослідників проєкту, не приховує, що це звучить дивно: «На перший погляд ідея, що хімічна реакція може правити за компас, здається абсурдною».

Не дивно. Як пояснює Гор, сила взаємодії між однією молекулою й магнітним полем Землі становить лише одну мільйонну сили типового хімічного зв’язку. Такий подразник видається надто слабким, щоб щось змінити.

⇑Радикальні пари, або Де в гру вступає квантова фізика

Ключ — у білках, які називають криптохромами й які містяться в сітківці птахів. За словами дослідників, світло запускає в них утворення радикальних пар — короткоживучих молекулярних систем, у яких відбувається те, що радше очікуєш знайти в підручнику з квантової фізики, ніж у біології.

«Коли світло потрапляє на ці білки, утворені радикальні пари перебувають у стані квантової суперпозиції», — пояснює Пітер Гор. І додає: «З огляду на цей крихкий квантовий стан, вихід хімічної реакції надзвичайно чутливий до напрямку зовнішнього магнітного поля».

Іншими словами: наскільки ефективно відбувається реакція, залежить від того, як птах розташований відносно поля Землі. А що все відбувається в оці, інформація надходить саме туди, де потрібна. «Це фактично кодує навігаційні дані безпосередньо в зоровій системі птаха», — каже Гор.

⇑Доказ дає зарянка

Теорія — одне, але потрібен був доказ. Команда показала, що криптохром-4a, виявлений у європейської зарянки, чутливий до слабких магнітних полів. Дослідники вважають це першим прямим доказом того, що ця молекула має таку властивість. Для гіпотези квантового компаса це міцна опора.

⇑Обладнання, якого раніше не існувало

Щоб зазирнути так глибоко в око птаха, науковцям спершу довелося створити власні інструменти. Серед них:

• надчутливі спектрометри, які вловлюють ледь помітні зміни в білках;
• високопродуктивна установка, що очистила понад 40 варіантів білків різних видів птахів;
• перший у світі немагнітний двофотонний прилад для візуалізації кальцію, який дає змогу записувати магнітні сигнали в нейронах сітківки.

Останній особливо важливий, адже дозволяє дослідникам спостерігати не лише самі білки, а й реакцію нервових клітин.

⇑Око, що живе за нестачі кисню

Дорогою виявилося щось несподіване. Внутрішня частина сітківки птаха працює в умовах постійної нестачі кисню. Це відкриття пояснює, чому дослідження цієї частини ока впродовж останніх десятиліть просувалися так повільно: умови в лабораторії просто не збігалися з тими, що в живому організмі.

⇑Остаточна перевірка: заміна вуглецю

Тепер науковці готують експеримент, який має розв’язати питання. «Ми на порозі остаточної відповіді завдяки витонченій ізотопній заміні», — повідомляє Генрік Мурітсен (Henrik Mouritsen), інший головний дослідник.

Ідея полягає в тому, щоб замінити природний вуглець-12 у молекулах флавінів в оці птаха на важчий вуглець-13. Комп’ютерні симуляції показали, що така заміна має змінити реакцію птахів на завади, спричинені радіохвилями. Команда вже створила спосіб уводити флавіни з вуглецем-13 в очі птахів і проводить поведінкові тести, щоб показати, чи впливає ця зміна на їхнє чуття орієнтації.

Ставки високі. «Успішний результат стане незаперечним доказом цього квантового компаса», — наголошує Мурітсен.

⇑Навіщо нам компас птахів

Хоча це фундаментальне дослідження, його результати можуть виявитися корисними у напрочуд практичних справах. Розуміння того, як птахи-мігранти обирають напрямок, могло б допомогти скеровувати їх до середовищ існування, стійких до зміни клімату, а не до деградованих територій. Подібні механізми працюють і в органічних світлодіодах, тож на цій основі можна було б створити дешеві та нетоксичні магнітні сенсори. Ще одна ідея — навігаційні системи, які працюють там, де сигнал GPS заблоковано або спотворено.

⇑Коротко

Співочі птахи, можливо, носять в очах компас, що працює завдяки квантовій фізиці. Команда QuantumBirds показала, що білок криптохром-4a зарянки реагує на слабке магнітне поле, створила нове обладнання для вивчення сітківки та виявила, що її внутрішня частина живе за нестачі кисню. Експеримент із заміною вуглецю має дати остаточну відповідь і попутно підказати ідеї для охорони природи та навігації без GPS.

⇑П’ять запитань: який ти навігатор? (тест)