Cómo los pájaros cantores podían leer las líneas magnéticas de la Tierra
Cada año, pequeños pájaros cantores migratorios que pesan menos de 50 gramos vuelan miles de kilómetros solos durante la noche, navegando hacia sus zonas de invernada estacionales con una precisión milimétrica. Guiándose por las estrellas, los puntos de referencia y el olfato, también pueden percibir la dirección del débil campo magnético de la Tierra. A pesar de más de 50 años de investigación, el mecanismo biofísico subyacente de este extraordinario sentido magnético sigue siendo un misterio. El proyecto QuantumBirds(se abrirá en una nueva ventana), financiado por el Consejo Europeo de Investigación, revela que la respuesta parece residir en la física cuántica. Combinando la mecánica cuántica, la química del espín, la biología del comportamiento y la bioquímica, los investigadores pusieron a prueba una hipótesis radical: que estas aves «ven» el campo magnético de la Tierra a través de intermediarios químicos transitorios inducidos por la luz, llamados «pares de radicales», ubicados en las proteínas criptocromo de sus retinas.
Cómo se orientan las aves utilizando la mecánica cuántica
«A primera vista, la idea de que una reacción química pueda servir como brújula parece absurda», señala Peter Hore, uno de los investigadores principales. Las moléculas individuales son tan débilmente magnéticas que su interacción con el campo magnético de la Tierra es un millón de veces más débil que un enlace químico estándar. Sin embargo, este argumento termodinámico pasa por alto la mecánica cuántica única de los pares de radicales de corta duración. «Cuando la luz incide sobre estas proteínas, los pares de radicales generados existen en un estado de superposición cuántica, experimentando oscilaciones coherentes conocidas como “pulsaciones cuánticas”. Dada esta delicada naturaleza cuántica, el rendimiento de la reacción química es altamente sensible a la dirección de un campo magnético externo. Ello permite codificar eficazmente los datos de navegación directamente en el sistema visual del ave», explica Hore.
¿Qué es el criptocromo-4a en los ojos de las aves?
Para comprobarlo, QuantumBirds abordó tres preguntas. En primer lugar, ¿pueden las proteínas aviares actuar realmente como receptores magnéticos? El equipo mostró que sí pueden, al demostrar que el criptocromo-4a(se abrirá en una nueva ventana) del petirrojo europeo es sensible a campos magnéticos débiles, la primera evidencia directa de una molécula visual que posee estas propiedades precisas. Para lograrlo, construyeron espectrómetros de alta sensibilidad y una instalación de alto rendimiento que purificó más de 40 variantes de proteínas de diferentes especies. El equipo procedió a investigar si las neuronas de la retina realmente codifican esta información magnética derivada del criptocromo. Adaptando técnicas de neurociencia que se utilizan habitualmente en roedores, el equipo desarrolló el primer instrumento no magnético del mundo para la obtención de imágenes de calcio mediante dos fotones, destinado a registrar señales magnéticas en las células nerviosas de la retina de las aves. Sorprendentemente, descubrieron que la retina interna funciona bajo una constante falta de oxígeno. Eso explica décadas de dificultades experimentales pasadas y abre la puerta a la obtención de imágenes de células que responden magnéticamente. En definitiva, QuantumBirds investigó si el criptocromo es la molécula brújula principal. «Estamos a punto de obtener una respuesta definitiva mediante la realización de un sofisticado intercambio isotópico. Las simulaciones por ordenador indicaron que sustituir el carbono-12 natural por isótopos de carbono-13 en las moléculas de flavina del ojo cambiaría la forma en que las aves responden a los campos de radiofrecuencia perturbadores», explica el coinvestigador principal Henrik Mouritsen. «Tras haber creado un sistema para introducir estas flavinas de carbono-13 en aves vivas, se están realizando pruebas de comportamiento para determinar si su orientación cambia. Un resultado satisfactorio proporcionará una prueba irrefutable de esta brújula cuántica», añadió.
Tecnología del futuro inspirada en la percepción magnética de las aves
Comprender la mecánica de navegación de las aves podría permitir a los conservacionistas «engañar» a las especies migratorias en peligro de extinción para que acepten hábitats resilientes al cambio climático como sus nuevos hogares, superando su instinto natural de regresar a sitios degradados. Sorprendentemente, esta misma brújula aviar está proporcionando un modelo para la tecnología. Dado que los LED orgánicos presentan los mismos principios de física cuántica, los científicos podrían replicarlos para construir sensores magnéticos baratos y no tóxicos. La investigación paralela sobre el criptocromo de las aves podría permitir la creación de sistemas de navegación alternativos para entornos donde el GPS está bloqueado o comprometido.
