Ważą poniżej 50 gramów, lecą nocą tysiące kilometrów i bez żadnej mapy trafiają do zimowisk. Wędrowne ptaki śpiewające od ponad pół wieku zadają naukowcom tę samą zagadkę: jak wyczuwają słabe pole magnetyczne Ziemi? Zespół projektu QuantumBirds sprawdza odpowiedź jak z fantastyki: kompas może siedzieć w oku ptaka i działać dzięki zjawiskom kwantowym w białkach siatkówki — a na końcu możesz sprawdzić, jakim nawigatorem jesteś ty, gdy w telefonie znika zasięg.
Wędrowne ptaki śpiewające to prawdziwi zawodnicy wagi lekkiej. Ważą poniżej 50 gramów, a każdej jesieni pokonują nocą tysiące kilometrów, żeby dotrzeć do zimowisk. Po drodze korzystają z kilku systemów nawigacji naraz: patrzą na gwiazdy, zapamiętują punkty orientacyjne, kierują się zapachem. Do tego wyczuwają kierunek słabego pola magnetycznego Ziemi.
I tu zaczyna się problem. Badania nad tym zmysłem trwają już ponad 50 lat, a mechanizm wciąż pozostaje nieznany. Wiadomo, że działa. Nie wiadomo, jak.
Właśnie tym pytaniem zajął się finansowany przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych projekt QuantumBirds, koordynowany przez Uniwersytet Oksfordzki. Przez siedem lat pracowali w nim specjaliści od bardzo różnych dziedzin: mechaniki kwantowej, chemii spinowej, biologii behawioralnej i biochemii.
Hipoteza, którą sprawdzali, jest odważna. Ptaki miałyby dosłownie widzieć pole magnetyczne dzięki reakcjom chemicznym zachodzącym w oku. Peter Hore, jeden z głównych badaczy projektu, nie ukrywa, że brzmi to dziwnie: „Na pierwszy rzut oka koncepcja, że reakcja chemiczna może być wykorzystywana w roli kompasu, wydaje się absurdem”.
Trudno się dziwić. Jak wyjaśnia Hore, siła oddziaływania pojedynczej cząsteczki z polem magnetycznym Ziemi to zaledwie milionowa część siły typowego wiązania chemicznego. Taki bodziec wydaje się zbyt słaby, by cokolwiek zmienić.
Klucz kryje się w białkach zwanych kryptochromami, obecnych w siatkówce ptaków. Według badaczy pod wpływem światła powstają w nich pary rodnikowe – krótkotrwałe układy cząsteczek, w których dzieją się rzeczy znane raczej z podręczników fizyki kwantowej niż biologii.
„Kiedy światło pada na te białka, powstałe pary rodników znajdują się w stanie superpozycji kwantowej” – tłumaczy Peter Hore. I dodaje: „W tym delikatnym stanie kwantowym wydajność reakcji chemicznej jest silnie uzależniona od kierunku pola magnetycznego”.
Innymi słowy: to, jak sprawnie przebiega reakcja, zależy od tego, jak ptak jest ustawiony względem pola Ziemi. A ponieważ wszystko dzieje się w oku, informacja trafia od razu tam, gdzie trzeba. „To pozwala na skuteczne kodowanie danych nawigacyjnych bezpośrednio w układzie wzrokowym ptaka” – mówi Hore.
Teoria to jedno, ale potrzebne były dowody. Zespół wykazał, że kryptochrom-4a występujący u rudzika jest wrażliwy na słabe pola magnetyczne. Badacze uznają to za pierwszy bezpośredni dowód, że ta cząsteczka ma taką właściwość. Dla hipotezy o kwantowym kompasie to mocny punkt zaczepienia.
Żeby zajrzeć tak głęboko w ptasie oko, naukowcy musieli najpierw zbudować własne narzędzia. Wśród nich znalazły się:
To ostatnie jest szczególnie ważne, bo pozwala obserwować nie tylko same białka, ale też reakcję komórek nerwowych.
Przy okazji wyszło na jaw coś zaskakującego. Wewnętrzna część ptasiej siatkówki działa w warunkach stałego niedoboru tlenu. To odkrycie wyjaśnia, dlaczego badania tego fragmentu oka przez ostatnie dekady szły tak opornie: warunki w laboratorium po prostu nie odpowiadały tym, które panują w żywym organizmie.
Teraz naukowcy szykują eksperyment, który ma rozstrzygnąć sprawę. „Jesteśmy obecnie o krok od uzyskania ostatecznej odpowiedzi dzięki przeprowadzeniu zaawansowanej wymiany izotopowej” – zapowiada Henrik Mouritsen, drugi z głównych badaczy.
Pomysł polega na tym, by w cząsteczkach flawiny w oku ptaka zastąpić naturalny węgiel-12 cięższym węglem-13. Symulacje komputerowe pokazały, że taka podmiana powinna zmienić sposób, w jaki ptaki reagują na zakłócenia wywoływane przez fale radiowe. Zespół opracował już sposób wprowadzenia flawin z węglem-13 do ptasich oczu i prowadzi badania behawioralne, które mają pokazać, czy zmiana wpływa na zmysł orientacji.
Stawka jest wysoka. „Sukces badań będzie niezbitym dowodem na istnienie kompasu kwantowego” – podkreśla Mouritsen.
Choć to badania podstawowe, ich wyniki mogą się przydać w zaskakująco praktycznych sprawach. Zrozumienie, jak ptaki wędrowne wybierają kierunek, mogłoby pomóc kierować je do siedlisk odpornych na zmianę klimatu, zamiast na tereny zdegradowane. Podobne mechanizmy działają też w organicznych diodach elektroluminescencyjnych, więc na tej bazie mogłyby powstać tanie i nietoksyczne czujniki magnetyczne. Kolejny pomysł to systemy nawigacji, które poradzą sobie tam, gdzie sygnał GPS jest blokowany albo zakłócany.
Ptaki śpiewające mogą nosić w oczach kompas działający dzięki fizyce kwantowej. Zespół QuantumBirds pokazał, że białko kryptochrom-4a rudzika reaguje na słabe pole magnetyczne, zbudował nowy sprzęt do badania siatkówki i odkrył, że jej wewnętrzna część żyje w niedoborze tlenu. Eksperyment z podmianą węgla ma dać ostateczną odpowiedź, a przy okazji podsunąć pomysły na ochronę przyrody i nawigację bez GPS.
5 pytań · minuta
poleca:
