Een voorgesteld ‘kwantumkompas’ voor zangvogels is nu aannemelijker geworden

Wetenschappers zouden een stap dichterbij kunnen komen om te begrijpen hoe sommige vogels de kwantumfysica kunnen gebruiken om te navigeren.

Onderzoekers vermoeden dat sommige zangvogels een ‘kwantumkompas’ gebruiken dat het magnetische veld van de aarde waarneemt, waardoor ze tijdens hun jaarlijkse migraties noord van zuid kunnen onderscheiden (SN: 4/3/18). Nieuwe metingen ondersteunen het idee dat een eiwit in de ogen van vogels, cryptochroom 4 of CRY4 genaamd, als magnetische sensor zou kunnen dienen. Men denkt dat de magnetische gevoeligheid van dat eiwit berust op de kwantummechanica, de wiskunde die fysieke processen beschrijft op de schaal van atomen en elektronen (SN: 27/6/16). Als het idee juist blijkt te zijn, zou het een stap voorwaarts zijn voor biofysici die willen begrijpen hoe en wanneer kwantumprincipes belangrijk kunnen worden in verschillende biologische processen.

In laboratoriumexperimenten is het type CRY4 in het netvlies van roodborstjes (Erithacus rubecula) reageerden op magnetische velden, rapporteren onderzoekers in de 24 juni Natuur. Dat is een cruciale eigenschap om als kompas te dienen. “Dit is het eerste artikel dat daadwerkelijk aantoont dat cryptochroom 4 van vogels magnetisch gevoelig is”, zegt sensorisch bioloog Rachel Muheim van de Universiteit van Lund in Zweden, die niet bij het onderzoek betrokken was.

Wetenschappers denken dat de magnetische waarnemingscapaciteiten van CRY4 worden geactiveerd wanneer blauw licht het eiwit raakt. Dat licht veroorzaakt een reeks reacties die rond een elektron pendelen, wat resulteert in twee ongepaarde elektronen in verschillende delen van het eiwit. Die eenzame elektronen gedragen zich als kleine magneten, dankzij een kwantumeigenschap van de elektronen die spin wordt genoemd.

De magneten van de twee elektronen kunnen evenwijdig aan elkaar of in tegengestelde richtingen wijzen. Maar de kwantumfysica dicteert dat de elektronen zich op geen van beide rangschikkingen vestigen. In plaats daarvan bestaan ​​ze in een limbo, een kwantumsuperpositie genaamd, die alleen de waarschijnlijkheid beschrijft om de elektronen in beide configuraties te vinden.

Magnetische velden veranderen die kansen. Dat beïnvloedt op zijn beurt hoe waarschijnlijk het is dat het eiwit een gewijzigde versie vormt in plaats van terug te keren naar zijn oorspronkelijke staat. Vogels kunnen mogelijk hun oriëntatie in een magnetisch veld bepalen op basis van hoeveel van het veranderde eiwit wordt geproduceerd, hoewel dat proces nog niet wordt begrepen. “Hoe ziet de vogel dit? We weten het niet’, zegt chemicus Peter Hore van de Universiteit van Oxford, een co-auteur van de nieuwe studie.

Het idee dat cryptochromen een rol spelen in de interne kompassen van vogels bestaat al tientallen jaren, maar “niemand kon dit experimenteel bevestigen”, zegt Jingjing Xu van de Universiteit van Oldenburg in Duitsland. Dus in de nieuwe studie observeerden Xu, Hore en collega’s wat er gebeurde toen de geïsoleerde eiwitten werden geraakt met blauw laserlicht. Na de laserpuls maten de onderzoekers hoeveel licht het monster absorbeerde. Voor Robin CRY4 veranderde de toevoeging van een magnetisch veld de hoeveelheid absorptie, een teken dat het magnetische veld van invloed was op hoeveel van de veranderde vorm van het eiwit werd geproduceerd.

Toen de onderzoekers dezelfde test uitvoerden op CRY4 die werd aangetroffen bij niet-migrerende kippen en duiven, had het magnetische veld weinig effect. De sterkere reactie op het magnetische veld in CRY4 van een trekvogel “zou kunnen suggereren dat er misschien echt iets speciaals is aan de cryptochromen van trekvogels die dit als kompas gebruiken”, zegt biofysicus Thorsten Ritz van de Universiteit van Californië, Irvine.

Maar laboratoriumtests met kippen en duiven hebben aangetoond dat die vogels magnetische velden kunnen voelen, merken Ritz en Muheim allebei op. Het is niet duidelijk of de hogere gevoeligheid van Robin CRY4 in laboratoriumtests het gevolg is van evolutionaire druk voor trekvogels om een ​​betere magnetische sensor te hebben.

Een factor die de interpretatie van de resultaten bemoeilijkt, is dat experimenten met geïsoleerde eiwitten niet overeenkomen met de omstandigheden in de ogen van vogels. Volgens Xu denken wetenschappers bijvoorbeeld dat de eiwitten in één richting in het netvlies zijn uitgelijnd. Om het proces verder te belichten, hopen de onderzoekers toekomstige studies uit te voeren op het werkelijke netvlies, om een ​​letterlijk vogelperspectief te krijgen.