Появляется все больше доказательств того, как птицы используют магнитное поле Земли, чтобы с безошибочной точностью пролетать тысячи миль. Это открытие может способствовать развитию квантовых технологий. Тo закаленный колос, трели пеночек и каменок — такой же верный признак весны, как и первые непокорные крокусы. К марту эти птицы начали возвращаться с зимних каникул, прокладывая путь домой к местам размножения за тысячи километров — некоторые виды возвращаются на родную территорию с точностью до сантиметра . Хотя идея миграции часто вызывает в воображении поразительные видения огромных стай гусей и бормотания скворцов, «большинство», говорит Мириам Лиедвогель , директор Института исследований птиц (IAR) в Германии, «мигрируют ночью и сами по себе, так что им не за кем следовать».
Лиедвогель с детства увлекалась птицами и часто задавалась вопросом, как они совершают эти длительные миграции. Она не одинока, даже Аристотель размышлял над этой загадкой и ошибочно пришел к выводу, что горихвостки превращаются в малиновок на зиму. Как отмечает Лиедвогель, поведение во время миграции разнообразно, и многое остается неизвестным, но теперь у нас достаточно данных о поведении птиц, чтобы исключить трансмогрификацию видов, среди прочих теорий. Исследования показали, что 95% перелетных птиц путешествуют ночью, в одиночку и без родительского руководства, поэтому поведение должно быть частично унаследовано. Эти птицы используют магнитное поле Земли, чтобы найти свой путь, и вполне вероятно, что по крайней мере часть биологического механизма, который позволяет им это делать, можно объяснить с помощью квантовой механики.
Биофизик Клаус Шультен выдвинул идею, которая в настоящее время считается предпочтительной для объяснения восприятия магнитного поля птицами, в 1978 году вместе со своими коллегами Чарльзом Свенбергом и Альбертом Веллером из Института биофизической химии Общества Макса Планка в Германии. Идея основана на том, что происходит, когда электроны получают энергию. Более привычным ответом может быть генерация тока, как в фотоэлектрическом устройстве (или солнечной батарее), когда светит солнце, но могут иметь место и другие эффекты. Электроны предпочитают находиться парами, но поглощение энергии может привести к тому, что электрон перейдет от одной молекулы к другой. На этом этапе и молекула, получающая, и молекула, отдающая электрон, имеют неспаренные электроны, что дает этим молекулам хиппи-звучащий термин «свободный радикал».
Электроны обладают квантовым свойством, описываемым как «спин», и когда два свободных радикала образуются таким образом, спины принимают особое расположение, которое чувствительно к магнитным полям. Это означает, что любое изменение в биохимии, которому подвергается молекула во время естественных процессов организма птицы, и скорости этих реакций, будут зависеть от присутствия магнитного поля. Таким образом, этот «эффект радикальной пары» может позволить птицам чувствовать магнитное поле. Однако исследователи также предположили, что небольшое количество магнитного оксида железа, включенное в клюв птицы, может делать то же самое, действуя как крошечная стрелка компаса. Частицы магнетита проникают повсюду: они находятся внутри пищи, которую мы едим, и переносятся воздухом, которым мы дышим, поэтому неизбежно, что они оказываются в тканях нашего тела. Люди сообщали о том, что находили их внутри голов птиц, хотя и не там, где они могут попасть в мозг, чтобы он мог чувствовать магнитные поля. Более того, небольшое количество магнетита само по себе не могло бы объяснить навигационное поведение, которое люди наблюдают у птиц.
Питер Хор — профессор химии в Оксфордском университете, который более 20 лет изучает возможные механизмы, позволяющие птицам ощущать магнитные поля, и он перечисляет некоторые доказательства в пользу эффекта радикальной пары. Одним из открытий является то, что птицы, похоже, не способны ощущать разницу между северным и южным полюсами в магнитном поле, а также направление к полюсу или экватору. «Это предполагает, что оно [магнитное ощущение] не основано на магнитных минералах, которые ведут себя как стрелки компаса», — говорит Хор. Поместите птицу в противоположное полушарие, и она все равно направит свой полет к экватору для более теплой погоды зимой.
Другим убедительным открытием является то, что, по-видимому, свет необходим для птиц, таких как малиновки, чтобы чувствовать магнитное поле, и он также необходим для запуска эффекта радикальной пары. На квантовом уровне все измерения сопровождаются обменом энергией. Детальное изучение длин волн света, поглощаемого при эффекте радикальной пары, также указало на конкретный белок: криптохром 4. Шультен предположил в 2000 году, что белок криптохром может быть вероятным кандидатом на роль носителя механизма радикальной пары у птиц, хотя в то время криптохромы были только что открыты и был известен только один. Лидфогель начала свою докторскую диссертацию всего несколько лет спустя и начала изучать криптохромы, известные у птиц в то время, исследование, которое она описывает как «безумно сложное», прежде чем добавить: «Теперь, с гораздо большим количеством неудач и гораздо большим количеством знаний, мы понимаем, почему это было так». Оказывается, хотя криптохромы 1, 2 и 4 обнаружены в глазах этих перелетных птиц, связь между криптохромами 1 и 2 и важнейшим поглощающим свет пигментом в эффекте радикальной пары далеко не такая сильная, как для позднее открытого криптохрома 4.
Похоже, природа изобрела квантовую технологию до нас, и это не звучит так уж безумно, не правда ли? Янис Коминис, Университет Крита
Тщательное изучение длин волн света, поглощаемого криптохромом 4, выявило, какие именно радикалы образовывались. В 2021 году Хор и его коллеги смогли проверить чувствительность криптохрома 4 к магнитному полю у малиновки, которая мигрирует, и сравнить ее с чувствительностью курицы, которая не мигрирует. Они показали, что белок малиновки имел большую чувствительность к магнитным полям, чем белок курицы. Более того, когда они мутировали части-кандидаты белка, помеченные как образующие радикалы, никаких эффектов чувствительности к магнитному полю не было обнаружено. Все это решительно поддерживало механизм радикальной пары в белках криптохрома 4 как основу для восприятия магнитного поля у птиц, несмотря на крошечные значения задействованных энергий. Напряженность магнитного поля Земли на поверхности составляет всего 50 микротесла — стандартная медицинская МРТ использует поля как минимум в 20 000 раз выше — поэтому энергии, которые составляют эти взаимодействия, крошечные: в миллион раз меньше тепловой энергии молекул, просто двигающихся при температуре тела.
С открытием криптохрома 4 и доказательствами в пользу эффекта радикальной пары Лиедвогель пошла по другому пути и начала искать признаки адаптивного отбора, оптимизирующего белок в эволюции птиц, которые мигрируют сезонно. Она и Коринна Лангебраке, которая тогда заканчивала докторскую диссертацию у Лиедвогеля в IAR, рассмотрели все известные последовательности генома птиц и сравнили регионы, соответствующие производству криптохромов у птиц, которые мигрируют, с теми, которые этого не делают. Они обнаружили, что в криптохромах 1 и 2 было очень мало вариаций между видами, что может указывать на то, что эти белки универсально необходимы, поскольку изменения в таком случае были бы опасны для выживания. Как указывает Лиедвогель, эти белки отвечают за поддержание циркадных ритмов — «биологических часов», — так что все это складывается. Более того, они обнаружили более высокие уровни вариаций не только в криптохроме 4 мигрирующих птиц по сравнению с немигрирующими птицами, но и в области криптохрома 4, которая производит радикалы в эффекте радикальной пары. Существуют также другие регионы, по-видимому, высокой селективности в криптохроме 4, возможно, указывающие на дополнительную, но пока неизвестную функцию белка. Однако, возможно, сложнее объяснить отсутствие криптохрома 4 в группе птиц, которая включает в себя одиночных дальних ночных мигрантов, тираннов. В настоящее время проводятся поведенческие эксперименты, чтобы проверить, могут ли эти птицы ощущать магнитное поле Земли таким образом, который пытается объяснить модель механизма радикальной пары криптохрома 4, но окончательный ответ пока не вынесен. Между тем, в статье, опубликованной ранее в этом году, предполагается, что может быть предел тому, насколько далеко может зайти эволюция в плане улучшения чувствительности птиц к магнитным полям благодаря фундаментальному принципу квантовой механики. «Существуют компромиссы во всех аспектах физической реальности», — объясняет Яннис Коминис, доцент Университета Крита в Греции, чьи исследования были сосредоточены на квантовом зондировании и квантовой биологии параллельно в течение 15 лет. Ключевым компромиссом в квантовой механике является принцип неопределенности Гейзенберга , который ограничивает, насколько точно вы можете зафиксировать две переменные, такие как энергия и время, — чем лучше вы владеете одной, тем меньше у вас есть другой. Если вы следуете этой линии математики и логики до ее естественных выводов, и учитывая время, необходимое для того, чтобы произошел физический процесс, то вы в конечном итоге оказываетесь на крошечном, но конечном кванте энергии, ниже которого вы не можете опуститься. Поскольку измерение должно сопровождаться обменом энергией, это накладывает фундаментальный предел на достижимую чувствительность – будь то квантовое устройство, работающее в лаборатории при криогенных температурах, или белок в глазу птицы. Ранее в этом году Коминис вместе со студентом бакалавриата университета Эфтимиосом Гкудинакисом показали, что предел соблюдается в животном мире , хотя чувствительность, достигаемая с помощью механизма радикальной пары, может быть очень близка к этому пределу.
«Похоже, природа изобрела квантовую технологию до нас, и это не звучит так уж безумно, правда?» — говорит Коминис. «Обратное означало бы, что мы умнее природы». Он также предполагает, что там, где достигнутая чувствительность не так близка к пределу, есть возможность для развития технологии квантового зондирования с использованием «интеллектуальной собственности матери-природы, чтобы попытаться создать лучший продукт».
Квантовые расчеты также выявили потенциальные доказательства в пользу эффекта радикальной пары через реакцию птиц на магнитный «шум». Расчеты показывают, что электроны радикальной пары фактически обмениваются между состояниями «спин» на определенных частотах, что означает, что птицы могут потерять ориентацию, если подвергнутся воздействию магнитного поля, флуктуирующего на этих частотах. «Нечасто вы можете сесть за компьютер, провести некоторые квантово-механические расчеты и предсказать, как поведет себя животное», — добавляет Хор.
10 лет назад Хор сотрудничал с Хенриком Моуритсеном и его коллегами из Ольденбургского университета в Германии, показав, что малиновки дезориентируются в присутствии городского электромагнитного шума , хотя птицы были чувствительны к уровням шума ниже тех, которые предполагали расчеты. Сейчас Моуритсен и его коллеги тестируют частоты, на которых птица становится дезориентированной. Пока что они довольно хорошо совпадают с тем, что было рассчитано для механизма радикальной пары, но Хор объясняет, что такие поведенческие тесты требуют много времени, отчасти потому, что их можно проводить только в сезон миграции.
Хотя Хор и Лидфогель не спешат заявлять, что дело закрыто, накапливающиеся данные о поведении птиц, их белках и эффекте радикальной пары, похоже, сходятся к объяснению чувствительности птиц к магнитным полям. Если это правда, то это невероятный подвиг квантового восприятия, достигнутый не в какой-то высокотехнологичной криогенной лаборатории, а в грязной органической среде птичьего глаза. «Я, конечно, смотрю на птиц в другом свете», — говорит Хор. «Термин «птичий мозг» обычно является оскорблением — теперь я думаю о нем как о комплименте».