Kvantový kompas v oku červienky: ako vtáky vidia magnetické pole + test

Obsah

• Hádanka stará vyše 50 rokov
• Kompas postavený z chemickej reakcie
• Radikálové páry, čiže kde prichádza k slovu kvantová fyzika
• Dôkaz poskytuje červienka
• Vybavenie, ktoré predtým neexistovalo
• Oko, ktoré žije s nedostatkom kyslíka
• Záverečný test: výmena uhlíka
• Prečo potrebujeme vtáčí kompas
• Stručne
• Päť otázok: aký si navigátor? (test)

⇑Hádanka stará vyše 50 rokov

Sťahovavé spevavce sú skutočná ľahká váha. Vážia menej ako 50 gramov, a predsa každý rok v noci prekonajú tisíce kilometrov, aby dorazili na zimoviská. Na ceste sa spoliehajú na viacero navigačných systémov naraz: sledujú hviezdy, pamätajú si orientačné body a riadia sa čuchom. Navyše dokážu vnímať smer slabého magnetického poľa Zeme.

A tu sa začína problém. Výskum tohto zmyslu trvá už viac ako 50 rokov a mechanizmus je stále neznámy. Vieme, že funguje. Nevieme ako.

⇑Kompas postavený z chemickej reakcie

Presne túto otázku si vzal za cieľ projekt QuantumBirds. Financuje ho Európska rada pre výskum a koordinuje Oxfordská univerzita. Sedem rokov v ňom spolupracovali špecialisti z veľmi rôznych odborov: kvantovej mechaniky, spinovej chémie, behaviorálnej biológie a biochémie.

Hypotéza, ktorú overovali, je odvážna. Vtáky by magnetické pole doslova videli vďaka chemickým reakciám prebiehajúcim v oku. Peter Hore, jeden z hlavných riešiteľov projektu, nezakrýva, že to znie čudne: „Na prvý pohľad sa myšlienka, že by chemická reakcia mohla slúžiť ako kompas, zdá absurdná.“

Niet sa čomu čudovať. Ako vysvetľuje Hore, sila pôsobenia medzi jednou molekulou a magnetickým poľom Zeme je len milióntinou sily typickej chemickej väzby. Taký podnet sa zdá príliš slabý na to, aby čokoľvek zmenil.

⇑Radikálové páry, čiže kde prichádza k slovu kvantová fyzika

Kľúč leží v bielkovinách zvaných kryptochrómy, ktoré sa nachádzajú v sietnici vtákov. Podľa výskumníkov v nich svetlo spúšťa vznik radikálových párov – krátko žijúcich molekulových systémov, v ktorých sa dejú veci, aké by človek čakal skôr v učebnici kvantovej fyziky než v biológii.

„Keď svetlo dopadne na tieto bielkoviny, vzniknuté radikálové páry existujú v stave kvantovej superpozície,“ vysvetľuje Peter Hore. A dodáva: „Vzhľadom na tento krehký kvantový stav je výťažok chemickej reakcie veľmi citlivý na smer vonkajšieho magnetického poľa.“

Inými slovami: ako účinne reakcia prebieha, závisí od toho, ako je vták natočený voči poľu Zeme. A pretože sa všetko odohráva v oku, informácia prichádza presne tam, kde je potrebná. „Navigačné údaje sa tak v podstate zapisujú priamo do zrakového systému vtáka,“ hovorí Hore.

⇑Dôkaz poskytuje červienka

Teória je jedna vec, ale bolo treba dôkaz. Tím preukázal, že kryptochróm-4a z červienky obyčajnej je citlivý na slabé magnetické polia. Výskumníci to pokladajú za prvý priamy dôkaz, že táto molekula má takú vlastnosť. Pre hypotézu kvantového kompasu je to silná opora.

⇑Vybavenie, ktoré predtým neexistovalo

Aby mohli nahliadnuť tak hlboko do vtáčieho oka, museli vedci najprv zostrojiť vlastné nástroje. Patrili medzi ne:

• vysoko citlivé spektrometre, ktoré zachytia nepatrné zmeny v bielkovinách;
• vysokokapacitné zariadenie, ktoré vyčistilo viac ako 40 variantov bielkovín od rôznych druhov vtákov;
• prvý nemagnetický dvojfotónový prístroj na zobrazovanie vápnika na svete, ktorý umožňuje zaznamenávať magnetické signály v neurónoch sietnice.

Posledný z nich je obzvlášť dôležitý, pretože výskumníkom umožňuje sledovať nielen samotné bielkoviny, ale aj odozvu nervových buniek.

⇑Oko, ktoré žije s nedostatkom kyslíka

Popri tom sa ukázalo čosi prekvapivé. Vnútorná časť vtáčej sietnice pracuje pri stálom nedostatku kyslíka. Tento objav vysvetľuje, prečo výskum tejto časti oka v uplynulých desaťročiach postupoval tak pomaly: podmienky v laboratóriu sa jednoducho nezhodovali s tými v živom organizme.

⇑Záverečný test: výmena uhlíka

Vedci teraz pripravujú pokus, ktorý má vec rozhodnúť. „Sme na prahu definitívnej odpovede vďaka rafinovanej izotopovej výmene,“ oznamuje Henrik Mouritsen, druhý z hlavných riešiteľov.

Myšlienka spočíva v tom, že sa prirodzený uhlík-12 v molekulách flavínov vo vtáčom oku nahradí ťažším uhlíkom-13. Počítačové simulácie ukázali, že taká výmena by mala zmeniť reakciu vtákov na rušenie spôsobené rádiovými vlnami. Tím už vytvoril spôsob, ako do vtáčích očí zaviesť flavíny s uhlíkom-13, a vykonáva behaviorálne testy, ktoré ukážu, či zmena ovplyvní ich orientačný zmysel.

Stávky sú vysoké. „Úspešný výsledok poskytne nespochybniteľný dôkaz tohto kvantového kompasu,“ zdôrazňuje Mouritsen.

⇑Prečo potrebujeme vtáčí kompas

Hoci ide o základný výskum, jeho výsledky sa môžu ukázať ako užitočné v prekvapivo praktických veciach. Pochopenie toho, ako si sťahovavé vtáky volia smer, by mohlo pomôcť nasmerovať ich k biotopom odolným voči zmene klímy namiesto k degradovaným oblastiam. Podobné mechanizmy fungujú aj v organických svetelných diódach, takže na tomto základe by sa dali vytvoriť lacné a netoxické magnetické senzory. Ďalšou myšlienkou sú navigačné systémy, ktoré si poradia tam, kde je signál GPS blokovaný alebo rušený.

⇑Stručne

Spevavce možno nosia v očiach kompas, ktorý funguje vďaka kvantovej fyzike. Tím QuantumBirds preukázal, že bielkovina kryptochróm-4a červienky reaguje na slabé magnetické pole, vyvinul nové vybavenie na skúmanie sietnice a zistil, že jej vnútorná časť žije s nedostatkom kyslíka. Pokus s výmenou uhlíka má priniesť konečnú odpoveď a mimochodom ponúknuť nápady pre ochranu prírody a navigáciu bez GPS.

⇑Päť otázok: aký si navigátor? (test)