(kart31/iStock) Unsere Welt mit den Augen eines Zugvogels zu sehen, wäre ein ziemlich gruseliges Erlebnis. Etwas an ihrem visuellen System ermöglicht es ihnen, das Magnetfeld unseres Planeten zu „sehen“, ein cleverer Trick der Quantenphysik und Biochemie, der ihnen hilft, große Entfernungen zu überwinden.
Anfang 2021 gaben Wissenschaftler der Universität Tokio bekannt, dass sie zum ersten Mal überhaupt einen direkt beobachtet hatten Schlüsselreaktion Es wird vermutet, dass er hinter der Fähigkeit von Vögeln (und vielen anderen Lebewesen) steckt, die Richtung der Erdpole zu erkennen.
Wichtig ist, dass dies ein Beweis dafür ist, dass die Quantenphysik eine biochemische Reaktion in einer Zelle direkt beeinflusst – etwas, das wir schon lange vermutet, aber noch nie in der Praxis gesehen haben.
Mit einem maßgeschneiderten Mikroskop, das auf schwache Lichtblitze reagiert, beobachtete das Team, wie eine Kultur menschlicher Zellen, die ein spezielles lichtempfindliches Material enthielt, dynamisch auf Veränderungen in einem Magnetfeld reagierte.
Die Fluoreszenz einer Zelle wird schwächer, wenn ein Magnetfeld darüber verläuft. (Ikeya und Woodward, CC BY 4.0)
Die von den Forschern im Labor beobachtete Veränderung entsprach dem, was zu erwarten wäre, wenn ein eigenartiger Quanteneffekt für die Beleuchtungsreaktion verantwortlich wäre.
„Wir haben an diesen Zellen nichts verändert oder etwas hinzugefügt“, sagte Biophysiker Jonathan Woodward.
„Wir glauben, dass wir äußerst starke Beweise dafür haben, dass wir einen rein quantenmechanischen Prozess beobachtet haben, der die chemische Aktivität auf zellulärer Ebene beeinflusst.“
Wie können Zellen, insbesondere menschliche Zellen, auf Magnetfelder reagieren?
Obwohl es mehrere Hypothesen gibt, gehen viele Forscher davon aus, dass die Fähigkeit auf einer einzigartigen Quantenreaktion beruht, an der Photorezeptoren namens Cryptochrome beteiligt sind.
Kryptochrome kommen in den Zellen vieler Arten vor und sind an der Regulierung des Tagesrhythmus beteiligt. Bei wandernden Arten Vögel, Hunde und andere Lebewesen sind mit der geheimnisvollen Fähigkeit verbunden, Magnetfelder wahrzunehmen.
Tatsächlich können die meisten von uns es nicht sehen Magnetfelder, menschliche Zellen auf jeden Fall enthalten Kryptochrome . Und es gibt Hinweise darauf, dass Menschen, obwohl sie sich nicht bewusst sind, tatsächlich immer noch in der Lage sind, etwas zu erkennen Der Magnetismus der Erde .
Um die Reaktion innerhalb von Cryptochromen in Aktion zu sehen, tauchten die Forscher eine Kultur menschlicher Zellen, die Cryptochrome enthielten, in blaues Licht, wodurch sie schwach fluoreszierten. Während sie leuchteten, ließ das Team wiederholt Magnetfelder unterschiedlicher Frequenz über die Zellen gleiten.
Sie fanden heraus, dass jedes Mal, wenn das Magnetfeld über die Zellen ging, deren Fluoreszenz um etwa 3,5 Prozent abnahm – genug, um eine direkte Reaktion anzuzeigen.
Wie kann ein Magnetfeld einen Photorezeptor beeinflussen? Alles läuft auf etwas hinaus, das Spin genannt wird – eine angeborene Eigenschaft von Elektronen.
Wir wissen bereits, dass der Spin erheblich durch Magnetfelder beeinflusst wird. Ordnen Sie die Elektronen richtig um ein Atom an und sammeln Sie genügend davon an einem Ort. Die resultierende Materialmasse kann nur durch ein schwaches Magnetfeld, wie es unseren Planeten umgibt, in Bewegung gebracht werden.
Das ist alles schön und gut, wenn Sie eine Nadel für einen Navigationskompass herstellen möchten. Da es jedoch keine offensichtlichen Anzeichen für magnetisch empfindliche Materialbrocken im Inneren der Taubenschädel gab, mussten die Physiker kleiner denken.
Im Jahr 1975 , entwickelte ein Forscher des Max-Planck-Instituts namens Klaus Schulten eine Theorie darüber, wie Magnetfelder chemische Reaktionen beeinflussen könnten.
Dabei handelte es sich um ein sogenanntes Radikalpaar. Ein Gartenradikal ist ein Elektron in der äußeren Hülle eines Atoms, das nicht mit einem zweiten Elektron verbunden ist.
Manchmal können diese Jungelektronen einen Flügelmann in einem anderen Atom annehmen und so ein Radikalpaar bilden. Die beiden bleiben ungepaart, gelten aber dank einer gemeinsamen Geschichte als verschränkt, was quantentechnisch bedeutet, dass ihre Spins unheimlich übereinstimmen, egal wie weit sie voneinander entfernt sind.
Da diese Korrelation nicht durch laufende physikalische Zusammenhänge erklärt werden kann, handelt es sich um eine reine Quantenaktivität, was sogar Albert Einstein in Betracht zog. gespenstisch '.
Im Trubel einer lebenden Zelle, ihr Verstrickung wird flüchtig sein. Aber selbst diese kurzzeitig korrelierenden Spins sollten gerade lange genug anhalten, um einen subtilen Unterschied im Verhalten ihrer jeweiligen Mutteratome zu bewirken.
Während in diesem Experiment das Magnetfeld über die Zellen wanderte, deutet der entsprechende Abfall der Fluoreszenz darauf hin, dass die Bildung von Radikalpaaren beeinträchtigt wurde.
Eine interessante Konsequenz der Forschung könnte darin bestehen, wie selbst schwache Magnetfelder indirekt andere biologische Prozesse beeinflussen könnten. Zwar gibt es nur schwache Hinweise darauf, dass Magnetismus die menschliche Gesundheit beeinträchtigt, ähnliche Experimente könnten sich jedoch als weiterer Forschungsansatz erweisen.
„Das Erfreuliche an dieser Forschung ist zu sehen, dass die Beziehung zwischen den Spins zweier einzelner Elektronen einen großen Einfluss auf die Biologie haben kann.“ sagte Woodward.
Natürlich sind Vögel nicht die einzigen Tiere, die sich bei der Orientierung auf unsere Magnetosphäre verlassen. Ein Art von Fisch , Würmer , Insekten , und sogar einige Säugetiere hab ein Händchen dafür. Wir Menschen könnte sogar kognitiv durch das schwache Magnetfeld der Erde beeinflusst werden.
Die Weiterentwicklung dieser Fähigkeit könnte geliefert haben eine Reihe von enorm verschiedene Aktionen basierend auf unterschiedlicher Physik.
Der Beweis dafür, dass mindestens einer von ihnen die Seltsamkeit der Quantenwelt mit dem Verhalten eines Lebewesens in Verbindung bringt, reicht aus, um uns zu fragen, welche anderen Teile der Biologie aus den gruseligen Tiefen der Grundlagenphysik hervorgehen.
Diese Forschung wurde veröffentlicht in PNAS .
Eine frühere Version dieses Artikels wurde im Januar 2021 veröffentlicht.