Pierwszy raz zarejestrowano wpływ mechaniki kwantowej na procesy biochemiczne pozwalające m.in. psom czy ptakom wędrownym „widzieć” pole magnetyczne Ziemi.

Posługując się dostosowanym do potrzeb analizy mikroskopem wykrywającym nawet najdrobniejsze błyski światła, badacze zaobserwowali jak wyhodowane przez nich ludzkie komórki zawierające światłoczułe białko w dynamiczny sposób reagują na zmiany w polu magnetycznym.

Zarejestrowana zmiana pasowała do założeń dotyczących funkcjonowania teoretycznego mechanizmu kwantowego, który to ma być odpowiedzialny za iluminacyjną reakcję komórek.

Fot. Xu Tao, CC BY-SA.

– W żaden sposób nie zmodyfikowaliśmy tych komórek. Jesteśmy przekonani, że zaobserwowaliśmy czysto kwantowy proces w akcji modyfikującej aktywność chemiczną komórek – tłumaczy w informacji prasowej biofizyk Jonathan Woodward

W teoretycznych jeszcze rozważaniach nad samą naturą zjawiska wpływu mechaniki kwantowej na biochemię komórek kluczowe są, a obecne także u człowieka, fotoreceptrory (białka) siatkówki oka zwane kryptochromami (są m.in. związane z regulacją rytmu dobowego).

Trzeba dodać, że jest to niepotwierdzona i posiadająca wielu krytyków hipoteza. Są też naukowcy dla których ziemskie pole magnetyczne jest zbyt słabe, by kryptochromy je wykrywały. Mamy też badania z Chin dowodzące, że ”magnetycznym zmysłem” stoi białko MagR wiążące się zarówno z żelazem, jak i kryptochromami (białko to w polu magnetycznym zachowuje się jak igła kompasu).

Inna sprawa, że ludzie mają w komórkach oka kryptochromy, a jednak pola magnetycznego nie widzimy. A przynajmniej nie mamy jego świadomości. I tu właśnie miejsce dla badań z Tokio. Dowodzą one, że przynajmniej na poziomie biochemicznym jesteśmy w stanie wykrywać ziemski magnetyzm.

Fot. Ikeya, Woodward, CC BY-SA.

Naukowcy z japońskiej uczelni kulturę komórek zawierających kryptochromy zalali niebieskim światłem wywołując bardzo delikatną reakcję fluorescencji. Emanującą lekkim blaskiem szalkę z komórkami wielokrotnie poddawano działaniu zmiennego pola magnetycznego.

Zauważono, że gdy tylko linia pola przechodziła przez komórki, blask przygasał o 3,5 proc. Wystarczająco, by wyłapał to mikroskop o podkręconej do maksimum czułości. To, w jaki sposób pole magnetyczne wpływa na fotoreceptor zależy od cechy wewnętrznej elektronów zwanej spinem.

Spin to moment cząstki elementarnej, rodzaj wielkości fizycznej która charakteryzuje magnetyczne właściwości elektronu. Elektrony mogą się różnić jedynie jego orientacją  (↑ oraz ↓), a nie wartością. Pole magnetyczne wpływa na spin.

Gdyby uporządkować elektrony wokół atomu w odpowiedni sposób i zebrać ich w jednym miejscu wystarczająco dużo, to uzyskaną masą tej materii można poruszyć nawet słabym polem magnetycznym, choćby takim jakie otacza Ziemię. Wystarczy, żeby ustawić igłę kompasu w odpowiednim kierunku.

Zważywszy, że w czaszce psa czy ptaka nie ma jakiegoś kawałka materii, na który można w oczywisty sposób wpłynąć polem magnetycznym, zajmujący się tym zjawiskiem fizycy operują w znacznie mniejszej skali, tłumaczy Science Alert .

Rosyjski zoolog Aleksander von Middendorf istnienie magnetorecepcji u ptaków założył już w 1855 roku. Jego teorię nieco ponad 100 lat później potwierdzili niemieccy fizycy Wolfgang Wiltschko i Friedrich Merkel, przepuszczając pole magnetyczne przez woliery z rudzikami (Erithacus rubecula) i co skutecznie uniemożliwiało im nawigację.

W 1978 roku temu Klaus Schulten, naukowiec niemieckiego instytutu Maxa Plancka, stworzył teorię opisującą możliwą reakcję wpływu pól magnetycznych na reakcje chemiczne. Istotnym jej elementem było tworzenie par przez „radykalne” elektrony, czyli istniejących samotnie na orbitalach układów rodnikowych.

Większość elektronów w atomach i cząsteczkach występuje parami, po dwa na każdy orbital. Układ rodnikowy, gdzie na orbitalu występuje jeden elektron, dąży do przyjęcia lub oddania elektronu korzystając z pomocy innego atomu lub cząsteczki. Takie rodniki są więc bardzo reaktywne.