Radikal paranalyse overvinder hindringer i teorien for, hvordan fugle navigerer

En ny teoretisk model har overvundet en forhindring i at forklare, hvordan fugle, og muligvis andre dyr, bruger Jordens magnetfelt til at navigere over lange afstande.

Modellen fokuserer på produktion og manipulation af par af spin-indviklede radikale molekyler i nethinden i fuglenes øjne. Disse molekyler kunne teoretisk sanse Jordens magnetfelt og videregive denne information til fuglens hjerne for at tillade navigation.

Men det originale proof-of-concept for denne model forudsagde, at produktionshastigheden af ​​de sammenfiltrede radikale par var for langsom til at være biologisk nyttige, og forskere har længe kæmpet for at finde en vej rundt om dette problem.

I deres nye undersøgelse, offentliggjort i dag i Nature, viser et team af forskere fra University of California, Berkeley; Caltech; og Australian National University i Canberra, Australien, udviklede en ny tilgang, der overvinder denne hastighedsbegrænsning.

"Vores arbejde giver en vej mod et kvantemekanisk-baseret biologisk kompas," sagde hovedforfatter Peter Hore, emeritus professor i fysisk kemi ved University of Oxford og gæsteforsker ved UC Berkeley.

Biologer har vidst siden begyndelsen af ​​1970'erne, at visse trækfugle har magnetit, et jernoxidmineral, der er let magnetisk, i specialiserede celler i deres næb. En forklaring er, at fuglene har et kvantekompas, hvor elektronerne i magnetit er arrangeret på en helt bestemt måde, der tillader detektion af Jordens magnetfelt.

Denne magnetitbaserede model står imidlertid over for to store udfordringer, sagde kemiprofessor Adam Willard ved UC Berkeley, en medforfatter af papiret. For det første giver magnetit alene ikke en forklaring på, hvordan fugle kan fornemme Jordens svage magnetfelt, omkring en ti tusindedel så stærkt som feltet fra en køleskabsmagnet. For det andet forklarer magnetit ikke, hvordan visse trækfugle på lang afstand kan fornemme magnetfeltets retning med tilstrækkelig præcision til at trække nord eller syd.

En mere lovende forklaring er baseret på kvantemekanik - et fænomen i den naturlige verden, der sker på niveau med atomer og subatomære partikler. Kvantekohærens, en specifik type kvanteeffekt, der involverer opførsel af par af partikler, der bliver forbundet eller "filtret", er blevet vist i fotosyntese og andre biologiske processer, og er i øjeblikket ved at blive udforsket inden for kvanteberegning.

Kvantesammenfiltring er også grundlaget for radikalparrekombination - en måde, hvorpå energi kan overføres mellem to molekyler, når deres elektroner er sammenfiltret.

Forskere har fokuseret på en bestemt type sammenfiltrede radikaler, dannet mellem to kryptokrome proteiner, der findes i forskellige organismer, herunder dyr og planter. Disse radikalpar kan interagere med Jordens magnetfelt på en sådan måde, at deres egenskaber bliver lidt forskellige afhængigt af molekylets orientering i forhold til feltet, som så kunne tjene som en type kompas.

Det originale proof-of-concept for kryptokrom-baseret magnetoreception led af en afgørende fejl, sagde Hore. Fugle skal være meget følsomme over for ændringer i magnetfeltet, og mængden af ​​ændringer forårsaget af interaktionen af ​​et enkelt radikalpar med Jordens svage magnetfelt ville være meget lille. Derudover beregnede forskerne antallet af radikale par, der kunne dannes i løbet af en fugls flyvetid, og fandt, at det var alt for langsomt til at kunne bruges i magnetoreception.

I det nye studie løste forskerne begge disse problemer. Først fandt de ud af, at de kunne forstærke signalet fra radikalparrene ved at manipulere radikalparrenes kemiske omgivelser, hvilket effektivt øger styrken af ​​interaktionen mellem magnetfeltet og molekylet.

Holdet fandt også på en måde at fremskynde produktionshastigheden for det sammenfiltrede radikale par. De foreslår at bruge lysimpulser fra fuglens indre øre til direkte at stimulere produktionen af ​​tusindvis af radikale par i stedet for at stole på de termiske og kemiske processer, der fører til dannelse af radikale par i planter. Fordi mange flere exciterede tilstande også kan producere radikale par, ville dette overvinde problemet med langsom radikal-par produktion.

"Den biologiske gennemførlighed af disse løsninger understøttes af eksistensen af ​​både visuelle pigmenter og kryptokromer i fuglenes nethinder og den påviste følsomhed af kryptokrom over for blåt eller ultraviolet lys," skrev forskerne i papiret.

For at teste hypotesen udfører forskerne eksperimenter med kryptokromer i fuglearter som røde rødder og zebrafinker samt målduer.

Willard sagde, at en praktisk anvendelse af dette arbejde kunne være et nyt, mere følsomt kompas baseret på kvantesammenfiltring.

Hore tilføjede:"Dette arbejde kan også give indsigt i anden biologisk relevant adfærd, såsom den bemærkelsesværdige tidssans for visse insekter, hvor et internt døgnur på en eller anden måde skal interagere med de eksterne miljøsignaler."

Forskningen blev støttet af U.S. National Science Foundation, W.M. Keck Foundation, U.S. Army Research Office og Australian Research Council.