Они весят меньше 50 граммов, ночью пролетают тысячи километров и находят места зимовки без всякой карты. Больше полувека певчие перелётные птицы задают учёным одну и ту же загадку: как они ощущают слабое магнитное поле Земли? Команда QuantumBirds проверяет ответ, который звучит как научная фантастика: компас, возможно, находится в глазу птицы и работает благодаря квантовым эффектам. А в конце ты можешь узнать, какой ты навигатор, когда у телефона пропадает сигнал.
Перелётные певчие птицы — настоящий лёгкий вес. Они весят меньше 50 граммов, и всё же каждый год ночью преодолевают тысячи километров, чтобы добраться до мест зимовки. В пути они полагаются сразу на несколько навигационных систем: следят за звёздами, запоминают ориентиры и ориентируются по запаху. Кроме того, они способны ощущать направление слабого магнитного поля Земли.
И здесь начинается проблема. Исследования этого чувства ведутся больше 50 лет, а механизм до сих пор неизвестен. Мы знаем, что он работает. Не знаем как.
Именно этот вопрос взял на себя проект QuantumBirds. Его финансирует Европейский исследовательский совет, а координирует Оксфордский университет. Семь лет в нём работали специалисты из очень разных областей: квантовой механики, спиновой химии, поведенческой биологии и биохимии.
Гипотеза, которую они проверяли, смелая. Птицы буквально видели бы магнитное поле благодаря химическим реакциям, протекающим в глазу. Питер Хор (Peter Hore), один из главных исследователей проекта, не скрывает, что это звучит странно: «На первый взгляд мысль о том, что химическая реакция может служить компасом, кажется нелепой».
Неудивительно. Как объясняет Хор, сила взаимодействия одной молекулы с магнитным полем Земли составляет всего одну миллионную силы типичной химической связи. Такой стимул кажется слишком слабым, чтобы что-либо изменить.
Ключ — в белках, называемых криптохромами, которые находятся в сетчатке птиц. По словам исследователей, свет запускает в них образование радикальных пар — недолговечных молекулярных систем, в которых происходит то, что скорее ожидаешь найти в учебнике по квантовой физике, чем по биологии.
«Когда свет попадает на эти белки, образовавшиеся радикальные пары существуют в состоянии квантовой суперпозиции», — объясняет Питер Хор. И добавляет: «Учитывая это хрупкое квантовое состояние, выход химической реакции чрезвычайно чувствителен к направлению внешнего магнитного поля».
Иными словами: насколько эффективно идёт реакция, зависит от того, как птица расположена относительно поля Земли. А поскольку всё происходит в глазу, информация приходит именно туда, где нужна. «Это фактически кодирует навигационные данные прямо в зрительной системе птицы», — говорит Хор.
Теория — одно, но нужно было доказательство. Команда показала, что криптохром-4a, обнаруженный у европейской зарянки, чувствителен к слабым магнитным полям. Исследователи считают это первым прямым доказательством того, что у этой молекулы есть такое свойство. Для гипотезы квантового компаса это прочная опора.
Чтобы заглянуть так глубоко в глаз птицы, учёным сначала пришлось создать собственные инструменты. Среди них:
Последний особенно важен, потому что позволяет исследователям наблюдать не только сами белки, но и реакцию нервных клеток.
По пути обнаружилось нечто неожиданное. Внутренняя часть сетчатки птицы работает в условиях постоянной нехватки кислорода. Это открытие объясняет, почему исследования этой части глаза в последние десятилетия продвигались так медленно: условия в лаборатории просто не совпадали с условиями в живом организме.
Сейчас учёные готовят эксперимент, который должен решить вопрос. «Мы на пороге окончательного ответа благодаря тонкой изотопной замене», — заявляет Хенрик Моурицен (Henrik Mouritsen), второй главный исследователь.
Идея состоит в том, чтобы заменить природный углерод-12 в молекулах флавинов в глазу птицы на более тяжёлый углерод-13. Компьютерные симуляции показали, что такая замена должна изменить реакцию птиц на помехи, вызванные радиоволнами. Команда уже создала способ вводить флавины с углеродом-13 в глаза птиц и проводит поведенческие тесты, которые покажут, влияет ли это изменение на их чувство ориентации.
Ставки высоки. «Успешный результат станет неопровержимым доказательством существования этого квантового компаса», — подчёркивает Моурицен.
Хотя это фундаментальное исследование, его результаты могут оказаться полезными в удивительно практических делах. Понимание того, как перелётные птицы выбирают направление, могло бы помочь направлять их в места обитания, устойчивые к изменению климата, а не в деградированные территории. Похожие механизмы работают и в органических светодиодах, так что на этой основе можно было бы создать дешёвые и нетоксичные магнитные датчики. Ещё одна идея — навигационные системы, которые справляются там, где сигнал GPS блокируется или искажается.
Певчие птицы, возможно, носят в глазах компас, работающий благодаря квантовой физике. Команда QuantumBirds показала, что белок криптохром-4a зарянки реагирует на слабое магнитное поле, создала новое оборудование для изучения сетчатки и обнаружила, что её внутренняя часть живёт при нехватке кислорода. Эксперимент с заменой углерода должен дать окончательный ответ и попутно подсказать идеи для охраны природы и навигации без GPS.
5 вопросов · одна минута
English
Čeština
Deutsch
Español
Français
Magyar
Italiano
Polski
Português
Русский
Slovenčina
Türkçe
Українська
العربية
中文