O „busolă cuantică” propusă pentru păsări cântătoare a devenit mai plauzibilă

Oamenii de știință ar putea fi cu un pas mai aproape de a înțelege modul în care unele păsări ar putea exploata fizica cuantică pentru a naviga.

Cercetătorii bănuiesc că unele păsări cântătoare folosesc o „busolă cuantică” care detectează câmpul magnetic al Pământului, ajutându-le să distingă nordul de sud în timpul migrațiilor lor anuale (SN: 4/3/18). Noile măsurători susțin ideea că o proteină din ochii păsărilor numită criptocrom 4, sau CRY4, ar putea servi drept senzor magnetic. Se crede că sensibilitatea magnetică a acelei proteine ​​se bazează pe mecanica cuantică, matematica care descrie procesele fizice la scara atomilor și a electronilor (SN: 27/06/16). Dacă ideea se dovedește a fi corectă, ar fi un pas înainte pentru biofizicienii care doresc să înțeleagă cum și când principiile cuantice pot deveni importante în diferite procese biologice.

În experimentele de laborator, tipul de CRY4 din retinele robinilor europeni (Erithacus rubecula) a răspuns la câmpurile magnetice, au raportat cercetătorii în 24 iunie Natură. Aceasta este o proprietate crucială pentru ca acesta să servească drept busolă. „Acesta este prima lucrare care arată de fapt că criptocromul 4 al păsărilor este sensibil magnetic”, spune biologul senzorial Rachel Muheim de la Universitatea Lund din Suedia, care nu a fost implicat în cercetare.

Oamenii de știință cred că abilitățile de detectare magnetică ale CRY4 sunt inițiate atunci când lumina albastră lovește proteina. Această lumină declanșează o serie de reacții care se deplasează în jurul unui electron, rezultând doi electroni neperechi în diferite părți ale proteinei. Acei electroni singuratici se comportă ca niște magneți minusculi, datorită unei proprietăți cuantice a electronilor numită spin.

Magneții celor doi electroni pot îndrepta fie paralel unul față de celălalt, fie în direcții opuse. Dar fizica cuantică dictează că electronii nu se stabilesc pe nici un aranjament. Mai degrabă, ele există într-un limbo numit suprapunere cuantică, care descrie doar probabilitatea de a găsi electroni în oricare dintre configurații.

Câmpurile magnetice modifică aceste probabilități. Aceasta, la rândul său, afectează cât de probabil este ca proteina să formeze o versiune modificată în loc să revină la starea inițială. Păsările pot fi capabile să-și determine orientarea într-un câmp magnetic în funcție de cantitatea de proteină alterată produsă, deși acest proces nu este încă înțeles. „Cum percepe pasărea asta? Nu știm”, spune chimistul Peter Hore de la Universitatea din Oxford, un coautor al noului studiu.

Ideea că criptocromii joacă un rol în busolele interne ale păsărilor există de zeci de ani, dar „nimeni nu a putut confirma acest lucru experimental”, spune Jingjing Xu de la Universitatea din Oldenburg din Germania. Deci, în noul studiu, Xu, Hore și colegii săi au observat ce s-a întâmplat când proteinele izolate au fost lovite de lumină laser albastră. După pulsul laser, cercetătorii au măsurat câtă lumină a absorbit proba. Pentru Robin CRY4, adăugarea unui câmp magnetic a schimbat cantitatea de absorbanță, semn că câmpul magnetic afectează cât de mult a fost produsă forma modificată a proteinei.

Când cercetătorii au efectuat același test pe CRY4 găsit la pui și porumbei nemigratori, câmpul magnetic a avut un efect redus. Răspunsul mai puternic la câmpul magnetic din CRY4 de la o pasăre migratoare „ar putea sugera că poate există ceva special în criptocromii păsărilor migratoare care folosesc acest lucru pentru o busolă”, spune biofizicianul Thorsten Ritz de la Universitatea din California, Irvine.

Dar testele de laborator cu găini și porumbei au arătat că acele păsări pot simți câmpurile magnetice, notează Ritz și Muheim. Nu este clar dacă sensibilitatea mai mare a Robin CRY4 în testele de laborator este rezultatul presiunii evolutive pentru păsările migratoare pentru a avea un senzor magnetic mai bun.

Un factor care face interpretarea rezultatelor mai dificilă este că experimentele pe proteine ​​izolate nu se potrivesc cu condițiile din ochii păsărilor. De exemplu, spune Xu, oamenii de știință cred că proteinele pot fi aliniate într-o singură direcție în interiorul retinei. Pentru a ilumina mai mult procesul, cercetătorii speră să efectueze studii viitoare asupra retinelor reale, pentru a obține o vedere literală din punct de vedere al unei păsări.