Птицы обладают загадочным "квантовым чутьем", а люди реагируют на магнитные поля

Увидеть наш мир глазами перелетной птицы было бы довольно жутко. Что-то в их зрительной системе позволяет им "видеть" магнитное поле нашей планеты - изощренный метод квантовой физики и биохимии, который помогает им перемещаться на огромные расстояния.

В начале 2021 года ученые из Токийского университета объявили, что им впервые удалось непосредственно наблюдать ключевую реакцию, которая, согласно гипотезе, лежит в основе таланта птиц (и многих других существ) определять направление полюсов Земли.

Важно отметить, что это доказательство того, что квантовая физика напрямую влияет на биохимическую реакцию в клетке - то, о чем ученые давно предполагали, но не видели в действии. 

Используя специально разработанный микроскоп, чувствительный к слабым вспышкам света, команда исследователей наблюдала, как культура человеческих клеток, содержащая специальный светочувствительный материал, динамично реагирует на изменения в магнитном поле.

Изменения, которые исследователи наблюдали в лаборатории, соответствовали тому, что можно было бы ожидать, если бы за реакцию освещения отвечал необычный квантовый эффект.

"Мы ничего не изменяли и не добавляли в эти клетки", - говорит биофизик Джонатан Вудворд.

"Мы считаем, что у нас есть чрезвычайно убедительные доказательства того, что мы наблюдали чисто квантово-механический процесс, влияющий на химическую активность на клеточном уровне".

Так как же клетки, особенно человеческие, способны реагировать на магнитные поля?

Хотя существует несколько гипотез, многие исследователи считают, что эта способность обусловлена уникальной квантовой реакцией с участием фоторецепторов, называемых криптохромами.

Криптохромы содержатся в клетках многих видов и участвуют в регулировании циркадных ритмов. У видов перелетных птиц, собак и других существ они связаны с загадочной способностью чувствовать магнитные поля.

На самом деле, хотя большинство из нас не могут видеть магнитные поля, человеческие клетки определенно содержат криптохромы. И есть доказательства того, что, даже не осознавая этого, люди все же способны ощущать земной магнетизм.

Чтобы увидеть реакцию криптохромов в действии, исследователи поместили культуру человеческих клеток, содержащих криптохромы, в синий свет, заставив их слабо флуоресцировать. Пока они светились, группа исследователей неоднократно проводила над клетками магнитным полем различной частоты.

Они обнаружили, что каждый раз, когда магнитное поле проходило над клетками, их флуоресценция снижалась примерно на 3,5 процента - достаточно, чтобы показать прямую реакцию.

Как магнитное поле может повлиять на фоторецептор? Все сводится к тому, что называется спин - врожденное свойство электронов.

Мы уже знаем, что на спин существенно влияют магнитные поля. Если правильно расположить электроны вокруг атома и собрать их достаточное количество в одном месте, то полученную массу материала можно заставить двигаться, используя лишь слабое магнитное поле, подобное тому, которое окружает нашу планету.

Все это хорошо, если вы хотите сделать иглу для навигационного компаса. Но поскольку внутри голубиных черепов нет никаких очевидных признаков наличия магниточувствительных кусочков материала, физикам приходится думать о меньшем.

В 1975 году исследователь Института Макса Планка по имени Клаус Шультен разработал теорию о том, как магнитные поля могут влиять на химические реакции. 

В ней использовалось нечто, называемое радикальной парой. Обычный радикал - это электрон во внешней оболочке атома, который не соединен со вторым электроном.

Иногда эти свободные электроны могут найти себе вторую половинку в другом атоме и образовать радикальную пару. Эти два электрона остаются непарными, но благодаря общей истории считаются запутанными, что в квантовых терминах означает, что их спины будут полностью совпадать независимо от того, насколько далеко друг от друга они находятся.

Поскольку эту корреляцию нельзя объяснить существующими физическими связями, это чисто квантовая активность, которую даже Альберт Эйнштейн считал "жуткой". 

В суете живой клетки их сцепление будет мимолетным. Но даже эти кратковременные корреляции спинов должны длиться достаточно долго, чтобы внести тонкую разницу в поведение соответствующих родительских атомов.

В данном эксперименте, когда магнитное поле проходило над клетками, соответствующий спад флуоресценции свидетельствовал о том, что генерация радикальных пар была нарушена.

Интересным следствием исследования может быть то, как даже слабые магнитные поля могут косвенно влиять на другие биологические процессы. Хотя доказательства влияния магнетизма на здоровье человека слабы, подобные эксперименты могут стать еще одним направлением для исследования.

"Самое радостное в этом исследовании - увидеть, что связь между спинами двух отдельных электронов может оказывать серьезное влияние на биологию", - сказал Вудворд.

Конечно, птицы - не единственные животные, которые полагаются на нашу магнитосферу для определения направления движения. Это знают рыбы, черви, насекомые и даже некоторые млекопитающие. Мы, люди, даже можем испытывать когнитивное воздействие слабого магнитного поля Земли.

Эволюция этой способности могла привести к ряду совершенно разных действий, основанных на различных физических принципах.

Доказательств того, что хотя бы одно из них связывает странности квантового мира с поведением живого существа, достаточно, чтобы заставить нас задуматься, какие еще элементы биологии возникают из жутких глубин фундаментальной физики.

Это исследование было опубликовано в журнале PNAS.