Kvantumiránytű a vörösbegy szemében: így látják a madarak a mágneses teret + test

Tartalom

• Több mint 50 éves rejtély
• Kémiai reakcióból épített iránytű
• Gyökpárok, avagy ahol a kvantumfizika színre lép
• A bizonyítékot a vörösbegy szolgáltatja
• Eszközök, amelyek korábban nem léteztek
• Szem, amely oxigénhiányban él
• A végső próba: a szén cseréje
• Miért van szükségünk a madarak iránytűjére
• Röviden
• Öt kérdés: milyen navigátor vagy? (teszt)

⇑Több mint 50 éves rejtély

A vonuló énekesmadarak igazi pehelysúlyúak. Kevesebb mint 50 grammot nyomnak, mégis minden évben éjszaka több ezer kilométert tesznek meg, hogy elérjék a telelőhelyüket. Útközben egyszerre több navigációs rendszerre támaszkodnak: figyelik a csillagokat, megjegyzik a tereptárgyakat, és követik a szaglásukat. Ráadásul érzékelni tudják a Föld gyenge mágneses terének irányát is.

És itt kezdődik a gond. Ennek az érzéknek a kutatása több mint 50 éve folyik, a mechanizmus mégis ismeretlen. Azt tudjuk, hogy működik. Azt nem tudjuk, hogyan.

⇑Kémiai reakcióból épített iránytű

Pontosan erre a kérdésre vállalkozott a QuantumBirds projekt. Az Európai Kutatási Tanács finanszírozza, és az Oxfordi Egyetem koordinálja. Hét éven át nagyon különböző területek szakemberei dolgoztak benne: kvantummechanika, spinkémia, viselkedésbiológia és biokémia.

A hipotézis, amelyet vizsgáltak, merész. A madarak szó szerint látnák a mágneses teret a szemükben lezajló kémiai reakciók révén. Peter Hore, a projekt egyik vezető kutatója nem titkolja, hogy furcsán hangzik: „Első pillantásra képtelenségnek tűnik az ötlet, hogy egy kémiai reakció iránytűként szolgálhat.”

Nem csoda. Ahogy Hore magyarázza, egyetlen molekula és a Föld mágneses tere közötti kölcsönhatás ereje csak egymilliomod része egy tipikus kémiai kötés erejének. Egy ilyen inger túl gyengének tűnik ahhoz, hogy bármit megváltoztasson.

⇑Gyökpárok, avagy ahol a kvantumfizika színre lép

A kulcs a kriptokrómoknak nevezett fehérjékben rejlik, amelyek a madarak recehártyájában találhatók. A kutatók szerint a fény gyökpárok keletkezését váltja ki bennük – rövid életű molekuláris rendszerekét, amelyekben olyan dolgok történnek, amelyeket inkább egy kvantumfizika-tankönyvben várnál, mint a biológiában.

„Amikor fény éri ezeket a fehérjéket, a keletkező gyökpárok kvantum-szuperpozíciós állapotban léteznek” – magyarázza Peter Hore. És hozzáteszi: „Ennek a törékeny kvantumállapotnak köszönhetően a kémiai reakció hozama rendkívül érzékeny a külső mágneses tér irányára.”

Más szóval: az határozza meg, hogy a reakció milyen hatékonyan zajlik, hogy a madár hogyan áll a Föld teréhez képest. És mivel minden a szemben történik, az információ éppen oda érkezik, ahol szükség van rá. „Ez gyakorlatilag közvetlenül a madár látórendszerébe kódolja a navigációs adatokat” – mondja Hore.

⇑A bizonyítékot a vörösbegy szolgáltatja

Az elmélet egy dolog, de bizonyíték is kellett. A csapat kimutatta, hogy a vörösbegyben található kriptokróm-4a érzékeny a gyenge mágneses terekre. A kutatók ezt az első közvetlen bizonyítéknak tekintik arra, hogy ez a molekula rendelkezik ilyen tulajdonsággal. A kvantumiránytű-hipotézis számára ez erős támpont.

⇑Eszközök, amelyek korábban nem léteztek

Hogy ilyen mélyen beletekinthessenek a madárszembe, a tudósoknak először saját eszközöket kellett építeniük. Ezek közé tartoztak:

• rendkívül érzékeny spektrométerek, amelyek észreveszik a fehérjék apró változásait;
• egy nagy áteresztőképességű berendezés, amely több mint 40 fehérjevariánst tisztított meg különböző madárfajokból;
• a világ első nem mágneses kétfotonos kalciumképalkotó műszere, amely lehetővé teszi a mágneses jelek rögzítését a recehártya idegsejtjeiben.

Az utolsó különösen fontos, mert a kutatók nemcsak magukat a fehérjéket, hanem az idegsejtek válaszát is megfigyelhetik vele.

⇑Szem, amely oxigénhiányban él

Útközben valami meglepő derült ki. A madár recehártyájának belső része állandó oxigénhiányban működik. Ez a felfedezés megmagyarázza, miért haladt olyan lassan a szem e részének kutatása az elmúlt évtizedekben: a laboratóriumi körülmények egyszerűen nem egyeztek az élő szervezetben uralkodókkal.

⇑A végső próba: a szén cseréje

A tudósok most olyan kísérletet készítenek elő, amely eldöntheti a kérdést. „Egy kifinomult izotópcsere révén a végleges válasz küszöbén állunk” – jelenti ki Henrik Mouritsen, a másik vezető kutató.

Az elképzelés az, hogy a madár szemében lévő flavinmolekulákban a természetes szén-12-t nehezebb szén-13-ra cseréljék. A számítógépes szimulációk megmutatták, hogy egy ilyen csere megváltoztatja a madarak reakcióját a rádióhullámok okozta zavarra. A csapat már kidolgozott egy módszert arra, hogyan lehet szén-13-mal jelölt flavinokat juttatni a madarak szemébe, és viselkedési teszteket végez, amelyek megmutatják, hogy a változás hatással van-e tájékozódási érzékükre.

Nagy a tét. „A sikeres eredmény megcáfolhatatlan bizonyítékot ad majd erre a kvantumiránytűre” – hangsúlyozza Mouritsen.

⇑Miért van szükségünk a madarak iránytűjére

Bár alapkutatásról van szó, eredményei meglepően gyakorlati kérdésekben is hasznosnak bizonyulhatnak. Ha megértjük, hogyan választanak irányt a vonuló madarak, segíthetünk nekik a klímaváltozásnak ellenálló élőhelyek felé tartani a leromlott területek helyett. Hasonló mechanizmusok működnek a szerves fénykibocsátó diódákban is, így ennek alapján olcsó és nem mérgező mágneses érzékelők építhetők. Egy másik ötlet olyan navigációs rendszerek, amelyek ott is megbirkóznak a feladattal, ahol a GPS-jel blokkolt vagy zavart.

⇑Röviden

Az énekesmadarak a szemükben olyan iránytűt hordozhatnak, amely a kvantumfizikának köszönhetően működik. A QuantumBirds csapata kimutatta, hogy a vörösbegy kriptokróm-4a fehérjéje reagál a gyenge mágneses térre, új eszközöket épített a recehártya vizsgálatához, és felfedezte, hogy annak belső része oxigénhiányban él. A szén cseréjével végzett kísérlet végső választ hozhat, és közben ötleteket adhat a természetvédelemhez és a GPS nélküli navigációhoz.

⇑Öt kérdés: milyen navigátor vagy? (teszt)