Как окото на червеношийка може да управлява квантов компас

Всяка есен червеношийката, птичка, тежаща само около 20 г, полита сама през нощта на пътешествие от около 3000 км, без никога преди това да е прелитала по този маршрут. Никоя по-стара птица не ѝ е показвала пътя. И въпреки това, с мозък колкото грахово зърно, тя се връща на същия жив плет на следващата пролет.

През по-голямата част от ХХ век никой не си е обяснявал как. Когато най-накрая се получава отговорът, се оказа, че включва квантовата механика, действаща в топлото, живо око на червеношийката - твърдение, което сериозни учени десетилетия наред отказват да приемат сериозно и което твърдо се подкрепя днес.

Компас, който никой не можа да намери

Първото солидно доказателство, че птиците изобщо усещат магнитното поле на Земята, се появява през 1972 г., когато Волфганг и Розвита Уилчко (Wolfgang and Roswitha Wiltschko) поставят мигриращи червеношийки в затворени клетки без изглед към небето, звездите или забележителностите. Птиците все пак успяват да се ориентират в посоката на миграция. Когато Уилчко обграждат клетката с намотки и завъртат магнитното поле, птиците се завъртат заедно с него. Нещо вътре в червеношийката чете полето директно - но какво и как, остават въпроси, на които няма отговор в продължение на десетилетия.

Компасът, който не може да си представим

Обикновената стрелка на компаса има северен и южен край - ако обърнем полярността на полето и стрелките се завъртат. Червеношийките не се ориентират така. Ако се разменят местата на северния и южния полюс на магнитното поле около червеношийката, тя продължава, сякаш нищо не се е случило. Затова пък тя реагира на наклона - ъгълът, който линиите на полето сключват със земята. Когато се наклони този ъгъл, птицата се преориентира веднага.

След това идва второ, по-странно откритие - компасът работи само на светло. Червеношийките се ориентират нормално при синя и зелена светлина - ако светлината се отдалечи или се насочи към червената, чувството им за посока се влошава или изключва. Ако имаха в тялото си магнитен материал, той нямаше да се повлиява какъв цвят е светлината. Но ако ориентацията им се основаваше на химична реакция, предизвикана от абсорбирани фотони, това би имало огромно значение - и това единствено наблюдение пренасочва цялото търсенето на изследователите.

Хипотезата за радикаловите двойки

През 1978 г. биофизикът Клаус Шултен (Klaus Schulten) предлага механизъм, който повечето от неговите колеги трудно приемат: че компасът не е магнитен в конвенционалния смисъл, а е химическа реакция, предизвикана от светлина, чийто резултат се управлява от квантовата механика. Идеята остава в периферията на биологията през следващите тридесет години.

Механизмът работи приблизително така. Когато фотон удари правилната молекула, той изхвърля електрон от едно място на друго, оставяйки два несдвоени електрона - "радикалова двойка". Важното е, че спиновете на тези два електрона остават квантово корелирани.

Реактивността на радикаловата двойка се определя от относителната ориентацията на спиновете на двата ѝ несдвоени електрона.

Двойката осцилира между две спинови конфигурации, синглетна и триплетна, и коя от тях заема, когато реакцията завърши, определя кой химичен продукт се образува.

При синглетното състояние електроните имат противоположни (антипаралелни - ↑ ↓) спинове, което им позволява лесно да се рекомбинират и да образуват отново химическа връзка.

При триплетното състояние електроните имат паралелни спинове (↑ ↑), рекомбинацията обратно до синглетното основно състояние (↑ ↓) е квантово забранена. За да се съединят, един от спиновете трябва да се "обърне" (spin-flip). Това изисква време и специфично взаимодействие, съгласно принципа на изключване на Паули, карайки радикалите да се разделят и да претърпят различни химични реакции.

Взаимното преобразуване между тези състояния се обуславя от свръхфини взаимодействия с ядрени спинове и външни магнитни полета чрез ефекта на Зееман. Той се дължи на това, че в присъствието на магнитно поле атомът придобива допълнителна енергия, пропорционална на неговия магнитен момент, което нервната система по принцип би могла да разчете като сигнал..

Този механизъм на радикаловите двойки е фундаментален за разбирането на химическата кинетика, ефектите на магнитното поле върху реакциите и биологичните явления, като например магниторецепцията при птиците.  

Кредит: Schulte (1978), Ritz, Adem & Schulten (2000), and Hole & Mouritsen 12016), QMX-Quantum Magnetix

Откриване на молекулата и откриването ѝ в окото

Търсенето на молекула, която отговаря на това описание, се насочва към криптохромите, семейство светлочувствителни протеини. При прелетните птици се откроява една версия: криптохром 4a (Cry4a), открит във външните сегменти на фоторецепторните клетки с двоен конус на ретината - частта от окото, предназначена да улавя светлината. Изводът е наистина странен: компасът на червеношийката не е в главата ѝ, както бихме предположили. Той е в окото ѝ. Магнитното поле на Земята може в известен смисъл се вижда от птицата.

През 2021 г. международен екип от 36 автора, ръководен от групата на Хенрик Моуритсен (), изолира Cry4a от европейски червеношийки, пречиства го и проверява магнитния му отговор на лабораторен стенд без участието на птици. Фотохимията му се променя измеримо в зависимост от приложеното поле. Cry4, взет от пилета и гълъби - птици, които не предприемат дълги миграции - реагира много по-слабо при същите тестове. Молекулата, най-чувствителна към магнетизма, се намира в птицата, която най-много се нуждае от компас.

Експериментът, който разрешава загадката

Резултатът, който убеждава повечето скептици, идва от друг тест. През 2014 г. изследователи от Университета в Олденбург излагат мигриращите червеношийки на изключително слаби осцилиращи радиочестотни полета - милиони пъти по-слаби, за да преместят физически магнитна частица. Птиците загубват напълно чувството си за посока и това нарушение зависи от честотата: червеношийките губят ориентация при около 1,3 мегахерца в локалното поле, като тази честота се променя предсказуемо с промяната на силата на фоновото поле.

Тези зависимости нямат нищо общо с поведението на магнитен материал. Точно така се държи двойка свързани електронни спинове. Радиочестотно смущение от този вид сега се третира като диагностичен белег, отделящ квантовия механизъм на радикалова двойка от всеки класически, феромагнитен материал.

Защо е трудно да се повярва на това

Квантовата кохерентност е известна със своята крехкост. Поддържането ѝ във физическа лаборатория обикновено означава охлаждане на оборудването до частица от градуса над абсолютната нула и екранирането му от вибрации и разсеяни полета – и дори тогава състоянието оцелява само за кратко. Червеношийката изглежда поддържа нещо подобно в топло, влажно, химически шумно око, в тяло, което активно лети. Ако тази картина е вярна, това предполага, че интуицията ни за това къде могат да оцелеят квантовите ефекти е била твърде консервативна.

Къде е компасът на червеношийката. Кредит: QMX-Quantum Magnetix

Какво все още е неясно

Полето не е затворено. По-голямата част от директните химични изследвания, демонстриращи магнитна чувствителност, са проведени върху пречистен протеин Cry4a в лабораторен съд, а не вътре в жива, летяща птица, и точно кои радикали осъществяват усещането in vivo остава неясно. Близък до него протеин, криптохром 4b, е изследван като възможна алтернатива и до голяма степен е изключен в проучване от 2025 г.: той не се свързва надеждно с FAD, поглъщащият светлината кофактор, който механизмът на радикаловите двойки изисква, а съответният протеин е едва откриваем в ретината на червеношийката. Отделно, скорошни изследвания показват, че Cry4a трябва да се държи в подредена подредба спрямо клетъчната мембрана, за да функционира - което означава, че начинът, по който е закотвен протеинът, може да има значение също толкова, колкото и неговата химия.

Защо е важно това, не само за изучаването на поведението на птиците

Ако една червеношийка може да поддържа кохерентен квантов процес при телесна температура вътре в жива тъкан, границата, която изследователите някога са очертавали между квантовия свят и биологията, е на грешното място. Някои групи сега проектират магнитни сензори, моделирани по химията на птицата, а не по конвенционален хардуер, въз основа на теорията, че дизайнът на птицата толерира условия, които нашият не може. Еволюцията изглежда е намерила практическо приложение на квантовата механика няколкостотин милиона години преди физиците да разработят уравненията - мозък с размер на грахово зърно, пътуване от при хиляди километра и, много вероятно, компас, изграден от въртенето на двойка електрони в задната част на окото.

Справка: 

Wiltschko, W. & Wiltschko, R. (1972). Magnetic Compass of European Robins. Science, 176(4030), 62–64.

Schulten, K., Swenberg, C.E. & Weller, A. (1978). A Biomagnetic Sensory Mechanism Based on Magnetic Field Modulated Coherent Electron Spin Motion. Zeitschrift für Physikalische Chemie, 111(1), 1–5.

Ritz, T., Adem, S. & Schulten, K. (2000). A Model for Photoreceptor-Based Magnetoreception in Birds. Biophysical Journal, 78(2), 707–718.

Engels, S., Schneider, N.L., Lefeldt, N., et al. (2014). Anthropogenic electromagnetic noise disrupts magnetic compass orientation in a migratory bird. Nature, 509, 353–356. doi.org/10.1038/nature13290

Hore, P.J. & Mouritsen, H. (2016). The Radical-Pair Mechanism of Magnetoreception. Annual Review of Biophysics, 45, 299–344.

Xu, J., Jarocha, L.E., Zollitsch, T., et al. (2021). Magnetic sensitivity of cryptochrome 4 from a migratory songbird. Nature, 594, 535–540. doi.org/10.1038/s41586-021-03618-9

Bartölke, R. et al. (2025). Cryptochrome 4b protein is likely irrelevant for the radical pair based magnetoreception in the European robin. bioRxiv preprint 2025.02.21.639466.

Източник: A Bird With No Map - How a robin's eye may be running a quantum compass, QMX-Quantum Magnetix

Още по темата

02/10/2020

Животът

Чудо на природата: Да усетиш магнитното поле с очите си

27/02/2018

Човекът

Губите се лесно? Къде е вътрешният ви компас?

07/07/2016

Физика

Експеримент потвърди способността на човека да усеща магнитното поле

04/11/2015

Животът

Инженери разработват нови магнитни клетъчни сензори