Fragilitatea cuantică poate ajuta păsările să navigheze

Valorificarea ciudățeniei lumii cuantice este dificilă – proprietățile cuantice fragile se degradează rapid în condiții tipice. Dar o astfel de fragilitate ar putea ajuta păsările migratoare să-și găsească drumul, raportează oamenii de știință în iunie Noul Jurnal de Fizică. Unii oameni de știință cred că păsările navighează cu busole mecanice cuantice sensibile, iar noul studiu sugerează că fragilitatea cuantică îmbunătățește simțul de direcție al păsărilor.

Moleculele cunoscute sub numele de criptocromi, care se găsesc în retinele aviare, pot fi în spatele abilităților de navigație neobișnuite ale păsărilor (SN Online: 1/7/11). Când lumina lovește criptocromii, aceștia suferă reacții chimice care pot fi influențate de direcția câmpului magnetic al Pământului, oferind un semnal al orientării păsării.

„La prima vedere, nu te-ai aștepta ca vreo reacție chimică să fie afectată de un câmp magnetic la fel de slab ca cel al Pământului”, spune coautorul studiului Peter Hore, chimist la Universitatea Oxford. Proprietățile cuantice pot întări sensibilitatea magnetică a unui criptocrom, dar efectul lor se menține doar pentru mici fracțiuni de secundă. Orice reacții chimice care ar putea semnala pasărea ar trebui să aibă loc suficient de repede pentru a evita această defecțiune.

Dar noile simulări ale lui Hore și colegii săi ale funcționării interioare a criptocromurilor arată că o mică deteriorare cuantică poate spori de fapt puterea efectului câmpului magnetic asupra reacțiilor chimice.

Potrivit teoriilor oamenilor de știință, lumina care lovește un criptocrom produce o pereche de radicali – molecule cu un electron singleton singuratic. Acești electroni neparteneri simt tracțiunea câmpurilor magnetice, datorită unei proprietăți cuantice cunoscute sub numele de spin, care îi face să se comporte puțin ca niște magneți de bară minuscule. Dar acești magneți minusculi nu sunt suficienți pentru a servi singuri drept busolă – în schimb, sensibilitatea magnetică a electronilor este rezultatul unui dans cuantic ciudat.

Electronii celor doi radicali se pot roti fie în aceeași direcție, fie în direcții opuse. Dar, în loc să aleagă una dintre aceste două opțiuni, electronii le aleg pe amândouă simultan – o condiție cunoscută sub numele de suprapunere cuantică. Mecanica cuantică poate descrie doar șansele ca electronii să fie găsiți în fiecare configurație dacă ar fi forțat să aleagă. Pe măsură ce trece timpul, aceste probabilități oscilează în sus și în jos într-un model care este influențat de câmpul magnetic al Pământului. Aceste oscilații afectează, la rândul lor, viteza reacțiilor chimice ulterioare – ale căror detalii nu sunt bine înțelese – care semnalează păsării în ce direcție se înfruntă.

Aceste reacții chimice trebuie să aibă loc rapid. Pe măsură ce electronii interacționează cu mediul lor, oscilațiile lor coordonate se disipă, slăbindu-le sensibilitatea magnetică. Dar Hore și colegii săi demonstrează că aceasta nu este imaginea completă – o anumită pierdere a cuantumului poate ajuta păsările să navigheze. „Nu numai că nu dăunează semnalului busolei, ci îl poate face mai puternic”, spune fizicianul Erik Gauger de la Universitatea Heriot-Watt din Edinburgh, care nu a fost implicat în cercetare.

Acest lucru se datorează faptului că direcția câmpului magnetic determină, de asemenea, cât de repede își pierd electronii coordonarea, sporind și mai mult diferența dintre ratele de reacție chimică bazate pe direcția păsării în câmpul magnetic. Așadar, câmpul magnetic are o dublă sarcină: afectează vitezele reacțiilor chimice prin modificarea stărilor oscilante ale electronilor și prin determinarea când aceștia își întrerup oscilația.

Deși au mai fost sugerate tipuri similare de efecte de creștere a sensibilității, acestea nu s-au bazat pe un model criptocrom, spune Gauger.

Încă nu este deloc sigur că păsările navighează cu criptocromi, spune Klaus Schulten, biofizician computațional la Universitatea din Illinois la Urbana-Champaign. Sunt necesare mai multe cercetări pentru a înțelege detaliile modului în care ar putea funcționa criptocromii. „Acolo, această lucrare este foarte valoroasă”, spune el. „Este o idee interesantă care merită urmărită.”