Молекулярный компас для навигации птиц

Каждый год полярная крачка преодолевает более 40 000 миль, мигрируя почти от полюса к полюсу и обратно. Другие птицы совершают похожие (хотя и более короткие) путешествия в поисках тепла. Как им удаётся преодолевать такие огромные расстояния, в то время как нам для поездки в соседний город нужна карта?

Исследователи установили, что птицы могут чувствовать магнитное поле Земли и использовать его для ориентации. Однако то, как работает этот внутренний компас, остаётся плохо изученным.

Физики из Оксфордского университета исследуют одно из возможных объяснений: магниточувствительный белок криптохром, который регулирует циркадные ритмы у растений и животных. Синий или зелёный свет заставляет электроны в белке создавать пары радикалов, спины электронов которых реагируют на магнитные поля. «Изменяя силу магнитного поля, мы можем влиять на ход этих фотохимических реакций внутри белка», — сказал ведущий исследователь Питер Хор, который представит свою работу на мартовском собрании Американского физического общества в среду, 4 марта в Сан-Антонио, Техас.

Поведенческие эксперименты показали, что даже небольшие нарушения магнитного поля могут повлиять на способность птиц к навигации. В исследовании под руководством Хенрика Муритсена в сотрудничестве с Хором зарянок помещали в деревянные хижины в кампусе Ольденбургского университета в Германии. Без дополнительных визуальных подсказок, таких как положение солнца на небе, птицы не могли ориентироваться. Они восстановили эту способность только тогда, когда хижины покрыли алюминиевыми листами и заземлили, что блокировало внешние колеблющиеся электромагнитные помехи, но не статическое магнитное поле Земли.

Исследователи пришли к выводу, что даже слабый электромагнитный шум в частотном диапазоне, блокируемом алюминиевыми экранами — вероятно, от сигналов AM-радио и работающего электронного оборудования в зданиях — каким-то образом мешал магнитной ориентации городских зарянок.

Хор надеется, что поведенческие наблюдения в полевых условиях помогут его молекулярным исследованиям в лаборатории.
«Мы хотели бы понять, как такие чрезвычайно слабые радиочастотные поля могут нарушить работу всей сенсорной системы у высшего позвоночного. Мы полагаем, что это, вероятно, даст ключевое представление либо о механизме магнитного компаса, либо о каком-то важном процессе, который мешает поведению птиц при ориентации», — сказал Хор.

Одно из объяснений заключается в том, что электромагнитный шум оказывает квантовые эффекты на работу криптохрома. Это предполагает, что радикальные пары в криптохроме сохраняют свою квантовую когерентность гораздо дольше, чем считалось возможным ранее. Такое открытие может иметь более широкие последствия для физиков, стремящихся продлить когерентность для более эффективных квантовых вычислений.

«Физиков волнует идея, что квантовая когерентность может возникать не просто в живой клетке, но и быть оптимизированной эволюцией. Есть вероятность, что можно будет извлечь уроки о том, как сохранять когерентность в течение длительного времени», — сказал Хор.