26 октомври 2021
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

Птиците имат загадъчен „квантов сензор“. Учените вече са го видели в действие

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 07 октомври 2021 в 09:46 133140
Кредит: Wikimedia Commons

Да видим нашия свят през очите на прелетна птица би било доста призрачно преживяване. Нещо във визуалната им система им позволява да „видят“ магнитното поле на нашата планета, хитър номер от квантовата физика и биохимия, който им помага да се движат на огромни разстояния.

В началото на 2021 г. учени от Университета в Токио обявяват, че за първи път са наблюдавали директно ключова реакция, за която се предполага, че благодарение на нея птиците и много други същества имат таланта да усещат посоката на полюсите на Земята.

Важното е, че това е доказателство от квантовата физика, пряко засягаща биохимична реакция в клетката - нещо, за което отдавна се предполага, но не е виждано досега в действие.

Използвайки специално изработен микроскоп, чувствителен към слаби светлини, екипът наблюдава култура от човешки клетки, съдържаща специален чувствителен към светлина материал, реагиращ динамично на промените в магнитното поле.

Флуоресценцията на клетката намалява, когато магнитно поле преминава над нея. Кредит: Ikeya и Woodward, CC BY 4.0

Промяната, която изследователите наблюдават в лабораторни условия, съвпада с това, което би се очаквало, ако за тяхната реакция на светлината е отговорен странен квантов ефект.

"Ние не сме променили или добавили нищо към тези клетки", отбелязва биофизикът Джонатан Уудуърд (Jonathan Woodward).

"Смятаме, че имаме изключително силни доказателства, че сме наблюдавали чисто квантово-механичен процес, засягащ химическата активност на клетъчно ниво".

И така, как клетките, особено човешките клетки, са способни да реагират на магнитни полета?

Въпреки че има няколко хипотези, много изследователи смятат, че способността се дължи на уникална квантова реакция, включваща фоторецептори, наречени криптохроми.

Криптохромите се намират в клетките на много видове и участват в регулирането на циркадните ритми. При някои видове мигриращи птици, кучета и други същества те са свързани с загадъчната способност да усещат магнитни полета.

Всъщност, макар повечето от нас да не виждат магнитните полета, човешките клетки определено съдържат криптохроми. И има доказателства, че въпреки че не е съзнателно, хората всъщност все пак са способни да усещат магнетизма на Земята.

За да видят реакцията в криптохромите в действие, изследователите потапят култура от човешки клетки, съдържащи криптохроми в синя светлина, което ги кара слабо да флуоресцират. Докато светят, екипът помества магнитни полета с различни честоти многократно над клетките.

Те откриват, че всеки път, когато магнитното поле преминава над клетките, тяхната флуоресценция се понижава около 3,5 % - достатъчно, за да се покаже директна реакция.

Как магнитното поле може да повлияе на фоторецептора? Всичко се свежда до нещо, наречено спин - вродено свойство на електроните.

Вече знаем, че спинът се влияе значително от магнитните полета. Подредете електроните по правилния начин около един атом и съберете достатъчно от тях заедно на едно място и получената маса материя може да бъде принудена да се движи, използвайки нищо повече от слабо магнитно поле като това, което заобикаля нашата планета.

Всичко това върши работа, ако целта е да направите стрелка за навигационен компас. Но признаци за съществуването на магнитно чувствителни парчета материал в черепа на гълъбите очевидно липсват.

През 1975 г. изследовател от Института Макс Планк на име Клаус Шултен (Klaus Schulten) разработва теория за това как магнитните полета могат да повлияят на химичните реакции.Квантовата биология - едно възможно обяснение

Това откритие е един от поводите на появата на нов клон в науката: квантовата биология. Вътре в криптохромата двойка електрони са квантово вплетени. При това квантово явление двете частици може да се намират далече една от друга, но остават взаимозависими.

По-рано биологът Клаус Шултен (Klaus Schulten) изказва предположението за съществуването на биокомпас. Той посочва, че светлoчувствителните протеини на ретината, наречени криптохроми ("cryptochromes" или "Cry"), играят важна роля в този механизъм, защото насекоми, на които с помощта на генното инженерство са им отстранени, губят способността си да реагират на магнитното поле.

Как действа биокомпасът според квантовата биология?

Действието на "компаса" започва с поглъщането на светлина от ретината на птицата, например. Попадането на фотона в криптохромата води до образуването на двойка свободни радикали - реактивни молекули, носещи всяка несдвоен електрон. Всеки един от тези електрони има вътрешен магнитен момент (спин), способен да улови външно магнитно поле. С отдалечаването на радикалите един от друг, спинът на единия от тях остава главно под влияние на близкото атомно ядро, а спинът на другия, се  ориентира по полето на Земята. Тази разлика в магнитните полета може да доведе радикалите до различни енергийни състояния, които се различават и по химични свойства.

Предполага се, че двата несдвоенни електрони в тази двойка, породена от поглъщането на един фотон в състояние на квантовата вплитане (quantum entanglement), при което спиновете на двете частици са свързани помежду си, без значение какво е разстоянието между тези частици. 

Тя включваше нещо, наречено радикална двойка. Радикал е електрон във външната обвивка на атом, който не е партньор с втори електрон.

Понякога тези самотни електрони могат да се свържат с друг електрон в друг атом, за да образуват радикална двойка. Двата електрона остават несдвоени, но благодарение на споделената история се считат за вплетени, което в квантово изражение означава, че техните спинове удивително ще съответстват, независимо колко са далеч един от друг могат да се окажат.

Тъй като тази връзка не може да бъде обяснена с текущи физически връзки, това е чисто квантов ефект, който дори Алберт Айнщайн смята за „призрачен“.

В хаоса на живата клетка тяхното вплитане ще бъде мимолетно. Но дори тези за кратко свързвани спинове трябва да продължават достатъчно дълго, за да се открие фината разлика в начина, по който се държат съответните им родителски атоми.

В този експеримент, когато магнитното поле преминава над клетките, съответното затъмнение във флуоресценцията предполага, че се създават двойки радикали.

Интересна последица от изследването би могло да бъде в това как дори слабите магнитни полета могат косвено да повлияят на други биологични процеси. Докато доказателствата за магнетизма, засягащи човешкото здраве, са слаби, подобни експерименти като това биха могли да се окажат друг път за изследване.

"Радостното в това изследване е да видим, че връзката между спиновете на два отделни електрона може да има голям ефект върху биологията", коментира Уудуърд.

Разбира се, птиците не са единственото животно, което разчита на нашата магнитосфера да намери посоката. Някои видове риби, червеи, насекоми и дори някои бозайници имат тази способност. Ние, хората, може дори да бъдем засегнати от слабото магнитно поле на Земята.

Еволюцията на тази способност би могла да доведе до редица много различни действия, основани на различна физика.

Наличието на доказателства, че поне един от тях свързва странността на квантовия свят с поведението на живо същество, е достатъчно, за да ни принуди да се чудим какви други аспекти на биологията произтичат от призрачните дълбочини на фундаменталната физика.

Справка: 

Cellular autofluorescence is magnetic field sensitive
Noboru Ikeya and Jonathan R. Woodward et al.

PNAS January 19, 2021 118 (3) e2018043118; https://doi.org/10.1073/pnas.2018043118

Източник: Birds Have a Mysterious 'Quantum Sense'. Scientists Have Now Seen It in Action, ScienceAlert


Няма коментари към тази новина !

 
Още от : Новини
Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.