Джонджо МакФадден - Жизнь на грани

Однако химический компас будет реагировать совсем иначе. Вы помните, что химический компас предположительно зависит от пар радикалов, находящихся в суперпозиции синглетного и триплетного состояний. Поскольку эти два состояния различаются по своей энергии, а энергия связана с частотой, система будет связана с такой частотой, которая, принимая во внимание энергию, будет находиться в диапазоне около миллиона колебаний в секунду. Классическое объяснение того, что происходит (хотя это не совсем верно), — это представление, что пара электронов «переключается» между синглетным и триплетным состояниями много миллионов раз в секунду. В этом состоянии система может взаимодействовать с переменным магнитным полем, вступая с ним в резонанс, но только если поле совершает колебания с той же частотой, что и пара радикалов: только если, используя нашу предыдущую музыкальную аналогию, они «звучат в унисон». Резонанс затем подает в систему энергию, и она изменяет критический баланс между синглетным и триплетным состояниями, от которого химический компас и зависит — по сути, опрокидывая наш метафорический гранитный блок, прежде чем он успевает обнаружить магнитное поле Земли. Так, в отличие от обычного магнитного компаса, компас, основанный на парах радикалов, будет нарушаться магнитными полями, колеблющимися на очень высоких частотах.

Команда Ритц — Вильчко поставила эксперимент, чтобы проверить это очень четкое предсказание теории пар радикалов с помощью любимых европейских малиновок: к низко- или высокочастотным магнитным полям окажется чувствительным их компас? Они подождали осени, когда птицы начали становиться беспокойными и стали собираться мигрировать на юг, и поместили их в воронки Эмлена. Ученые применяли переменные поля разных направлений и разных частот и ждали, чтобы увидеть, могут ли поля нарушить естественную способность птиц ориентироваться.

Результаты были поразительными: магнитное поле с частотой 1,3 МГц (то есть колеблющееся 1,3 миллиона циклов в секунду), в тысячи раз слабее, чем поле Земли, тем не менее может нарушить способность птиц ориентироваться. Но с увеличением или уменьшением частоты поле делалось менее эффективным. Так, оказалось, что поле резонирует с чем-то, вибрирующим на очень высоких частотах в птичьем компасе, — явно не с обычным магнитным компасом, а с чем-то похожим на запутанную пару радикалов в суперпозиции синглетного и триплетного состояний. Этот интригующий результат [110] Ritz T., Thalau P., Phillips J. B., Wiltschko R. and Wiltschko W. Resonance effects indicate a radical-pair mechanism for avian magnetic compass // Nature, 2004. — Vol. 429. — P. 177–180. также показывает, что если запутанная пара существует, то она должна быть в состоянии выжить в условиях декогеренции по крайней мере микросекунды (миллионные доли секунды), так как в противном случае ее жизнь была бы слишком коротка для обнаружения максимумов и минимумов приложенного переменного магнитного поля.

Однако значение этих результатов недавно было поставлено под сомнение. Группа Хенрика Моуритсена из Университета Ольденбурга показала, что искусственные электромагнитные помехи от широкого спектра электронных устройств, просачиваясь через стенки незащищенных деревянных жилищ птиц на территории университетского городка, нарушают их магнитную ориентацию. Но способность возвращается, как только их помещают в специальные алюминиевые камеры, которые экранируют около 99 % городских электромагнитных помех. Важно отметить: их результаты показывают, что разрушительное воздействие радиочастотных электромагнитных полей не может быть ограничено узкой полосой частот [111] Engels S., Schneider N.-L., Lefeldt N., Hein C. M., Zapka M., Michalik A., Elbers D., Kittel A., Hore P. J. and Mouritsen H. Anthropogenic electromagnetic noise disrupts magnetic compass orientation in a migratory bird // Nature, 2014. — Vol. 509. — P. 353–356. .

Таким образом, все еще есть аспекты системы, которые остаются загадкой: например, почему компас малиновки должен быть настолько индивидуально чувствительным к переменным магнитным полям и как свободные радикалы могут оставаться запутанными достаточно долго, чтобы обеспечить биологическую разницу. Но в 2011 году статья лаборатории Влатко Ведрала из Оксфорда представила квантовые теоретические расчеты предлагаемого химического компаса и показала, что суперпозиция и запутанность должны быть устойчивыми в течение по крайней мере десятка микросекунд, что значительно превышает длительность, полученную во многих сопоставимых искусственных молекулярных системах; это потенциально достаточно долго, чтобы сообщить малиновке, куда именно ей следует лететь [112] Gauger E. M., Rieper E., Morton J. J., Benjamin S. C. and Vedral V. Sustained quantum coherence and entanglement in the avian compass // Physical Review Letters, 2011. — Vol. 106: 4. .

Эти знаменательные исследования вызвали взрыв интереса к магниторецепции, которая в настоящее время обнаружена у широкого диапазона видов, включая целый ряд птиц, лангустов, скатов, акул, финвалов, дельфинов, пчел и даже микробов. В большинстве случаев механизмы еще не исследованы, но криптохром-ассоциированная магниторецепция в настоящее время обнаружена у широкого диапазона существ — от нашей славной малиновки, кур и плодовых мушек, которых мы уже упоминали, до многих других организмов, включая растения [113] Ahmad M., Galland P., Ritz T., Wiltschko R. and Wiltschko W. Magnetic intensity affects cryptochrome-dependent responses in Arabidopsis thaliana // Planta, 2007. — Vol. 225: 3. — P. 615–624. . Исследования, опубликованные чешской группой в 2009 году, доказали наличие магниторецепции у американского таракана и показали, что, как и у малиновки, она может быть нарушена высокочастотными переменными магнитными полями [114] Vacha M., Puzova T. and Kvicalova M. Radio frequency magnetic fields disrupt magnetoreception in American cockroach // Journal of Experimental Biology, 2009. — Vol. 212: 21. — P. 3473–3477. . Последующие исследования, представленные на конференции в 2011 году, показали, что компас тараканов имеет в своей основе криптохром.

Открытие того, что подобные способности так широко распространены в природе и имеют общий механизм, дает основания предполагать, что они были унаследованы от общего предка. Но общий предок кур, малиновок, плодовых мушек, растений и тараканов жил давным-давно, более 500 миллионов лет назад. Так, квантовые компасы, вероятно, очень древние и, должно быть, обеспечивали навигационные навыки рептилий и динозавров, которые бродили по болотам мелового периода рядом с тираннозавром Рексом, с которым мы встречались в главе 3 (напомним, что современные птицы, такие как малиновки, произошли от динозавров), рыб, которые плавали в пермских морях, древних членистоногих, что ползали в кембрийских океанах, а возможно, даже докембрийских микробов, которые были предками всей клеточной жизни. Кажется, что эйнштейновское «таинственное действие на расстоянии», возможно, помогает существам найти свой путь вокруг земного шара на протяжении большей части истории нашей планеты.