Jak ptaki śpiewające odczytują linie magnetyczne Ziemi?
Każdego roku niewielkie wędrowne ptaki śpiewające ważące mniej niż 50 gramów pokonują nocami tysiące kilometrów w drodze do swoich zimowisk, do których docierają z niewyobrażalną wręcz precyzją. W swoich podróżach kierują się gwiazdami, punktami orientacyjnymi i zapachem, ale potrafią także wyczuć kierunek słabego pola magnetycznego Ziemi. Pomimo trwających od przeszło 50 lat badań, biofizyczny mechanizm odpowiedzialny za ten niezwykły zmysł pozostaje niewyjaśniony. Zespół finansowanego ze środków Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych projektu QuantumBirds(odnośnik otworzy się w nowym oknie) zauważa, że odpowiedź na to pytanie leży w fizyce kwantowej. Łącząc zagadnienia z zakresu mechaniki kwantowej, chemii spinowej, biologii behawioralnej i biochemii, zespół postanowił zweryfikować radykalną hipotezę, która zakłada, że ptaki widzą pole magnetyczne Ziemi dzięki przejściowym i indukowanym światłem pośrednim związkom chemicznym zwanym parami rodnikowymi, które znajdują się w białkach kryptochromowych osadzonych w siatkówce oka.
Nawigacja oparta na mechanice kwantowej
„Na pierwszy rzut oka koncepcja, że reakcja chemiczna może być wykorzystywana w roli kompasu, wydaje się absurdem”, zauważa Peter Hore, główny badacz zespołu. Pojedyncze cząsteczki mają tak słabe właściwości magnetyczne, że siła oddziaływania z polem magnetycznym Ziemi stanowi milionową część siły typowego wiązania chemicznego. Tego rodzaju odwołanie do termodynamiki ignoruje jednak wyjątkowe mechanizmy kwantowe charakteryzujące krótkotrwałe pary rodników. „Kiedy światło pada na te białka, powstałe pary rodników znajdują się w stanie superpozycji kwantowej i charakteryzują się oscylacjami, które określamy mianem uderzeń kwantowych. W tym delikatnym stanie kwantowym wydajność reakcji chemicznej jest silnie uzależniona od kierunku pola magnetycznego na zewnątrz. To pozwala na skuteczne kodowanie danych nawigacyjnych bezpośrednio w układzie wzrokowym ptaka”, wyjaśnia Hore.
Kryptochrom-4a - jaką rolę pełni w oczach ptaków?
Aby zweryfikować założenia tej hipotezy, zespół projektu QuantumBirds skupił się na trzech zagadnieniach. W ramach pierwszego z nich badacze sprawdzali, czy białka w organizmach ptaków mogą faktycznie działać jako receptory magnetyczne. Zespół udowodnił, że jest to możliwe, wykazując, że kryptochrom-4a(odnośnik otworzy się w nowym oknie) występujący u rudzika jest wrażliwy na słabe pola magnetyczne. Odkrycie to stanowi pierwszy bezpośredni dowód istnienia tych właściwości. W celu weryfikacji założeń badacze zbudowali niezwykle czułe spektrometry i instalację o wysokiej przepustowości, która pozwoliła na oczyszczenie ponad 40 wariantów białek pobranych od różnych gatunków ptaków. Badacze sprawdzili także, czy neurony siatkówki rzeczywiście kodują informacje magnetyczne pochodzące z kryptochromów. Dostosowując techniki neurologiczne dotychczas stosowane w badaniach z udziałem gryzoni, zespołowi udało się opracować pierwsze na świecie niemagnetyczne dwufotonowe urządzenie do obrazowania wapnia, które służy do rejestrowania sygnałów magnetycznych w komórkach nerwowych ptasiej siatkówki. Ku swojemu zaskoczeniu naukowcy odkryli, że wewnętrzna siatkówka ptaków funkcjonuje w warunkach stałego niedoboru tlenu. To odkrycie wyjaśnia trudności, z którymi badacze zmagali się od dziesięcioleci. Toruje także drogę do obrazowania komórek reagujących na pole magnetyczne. Wreszcie zespół projektu QuantumBirds zbadał, czy kryptochrom stanowi główną cząsteczkę odpowiedzialną za wskazywanie kierunku. „Jesteśmy obecnie o krok od uzyskania ostatecznej odpowiedzi dzięki przeprowadzeniu zaawansowanej wymiany izotopowej. Symulacje komputerowe wykazały, że zastąpienie naturalnych izotopów węgla-12 węglem-13 w cząsteczkach flawiny znajdujących się w oku zmieni sposób, w jaki ptaki reagują na zakłócenia spowodowane częstotliwościami radiowymi”, zauważa Henrik Mouritsen, główny badacz zespołu. „Po opracowaniu procesu umożliwiającego wprowadzenie flawin zawierających izotop węgla-13 do oczu ptaków rozpoczęliśmy badania behawioralne mające na celu ustalenie, czy zmiana wpływa na ptasi zmysł orientacji. Sukces badań będzie niezbitym dowodem na istnienie kompasu kwantowego”, dodaje.
Technologia przyszłości inspirowana ptasim czujnikiem magnetycznym
Zrozumienie mechanizmu, który pozwala ptakom na znajdowanie kierunku w przestrzeni, umożliwi obrońcom przyrody oszukanie gatunków wędrownych i skierowanie ich do siedlisk odpornych na skutki zmiany klimatu, aby zapobiec instynktownym powrotom do zdegradowanych obszarów. Co ciekawe, ptasi kompas może stanowić inspirację dla nowych technologii. Ze względu na to, że identyczne mechanizmy występują w przypadkach organicznych diod elektroluminescencyjnych, naukowcy mogą wykorzystać je, aby opracować przystępne cenowo i nietoksyczne czujniki magnetyczne. Badania kryptochromu ptaków mogą pozwolić na stworzenie alternatywnych systemów nawigacyjnych działających w miejscach, w których sygnał GPS jest blokowany lub zakłócany.
