Για το έμπειρο αφτί, το κελάηδημα των δενδροφυλλοσκόπων και των οινάνθων είναι τόσο σίγουρο σημάδι της άνοιξης, όσο και τα πρώτα άνθη των κρόκων. Αυτά τα αποδημητικά πουλιά τον Μάρτιο αρχίζουν να επιστρέφουν από τα χειμερινά τους καταφύγια, διανύοντας τον δρόμο προς τις εστίες αναπαραγωγής τους χιλιάδες χιλιόμετρα μακριά – ορισμένα είδη επιστρέφουν στην πατρίδα τους με ακρίβεια εκατοστού. Παρόλο που η ιδέα της μετανάστευσης συχνά φέρνει στο μυαλό εντυπωσιακά θεάματα από τεράστια σμήνη χηνών και ψαρονιών, «η πλειονότητα», λέει η Μίριαμ Λίντβογκελ, διευθύντρια του Ινστιτούτου Ερευνών για τα Πουλιά (IAR) στη Γερμανία, «μεταναστεύει τη νύχτα και μόνη της, οπότε δεν έχει κανέναν να ακολουθήσει».

Η Λίντβογκελ είχε μια γοητεία για τα πουλιά από την παιδική της ηλικία και συχνά αναρωτιόταν πώς αυτά τα πουλιά καταφέρνουν αυτές τις μακρινές μεταναστεύσεις. Δεν είναι η μόνη, αφού ακόμη και ο Αριστοτέλης αναλογιζόταν το μυστήριο και κατέληξε λανθασμένα στο συμπέρασμα ότι κάποια πτηνά μεταλλάσσονταν σε άλλα είδη κατά τη διάρκεια του χειώνα. Όπως επισημαίνει η ίδια, η μεταναστευτική συμπεριφορά ποικίλει και σε μεγάλο βαθμό παραμένει άγνωστη, ωστόσο τώρα πλέον έοχυμε αρκετά στοιχεία αναφορικά με τη συμπεριφορά των πτηνών ώστε να αποκλειστεί η μετάλλαξη των ειδών μεταξύ άλλων θεωριών.

Μελέτες έχουν αποκαλύψει ότι το 95% των μεταναστευτικών πουλιών ταξιδεύουν τη νύχτα, μόνα τους και χωρίς γονική καθοδήγηση, οπότε η συμπεριφορά πρέπει να είναι εν μέρει κληρονομική. Αυτά τα πουλιά χρησιμοποιούν το μαγνητικό πεδίο της Γης για να βρουν το δρόμο τους, και είναι πιθανό ότι τουλάχιστον ένα μέρος του βιολογικού μηχανισμού που τους επιτρέπει να το κάνουν αυτό μπορεί να εξηγηθεί μέσω της κβαντομηχανικής.

Ο βιοφυσικός Κλάους Σούλτεν σκέφτηκε την ιδέα που σήμερα προκρίνεται για την εξήγηση της αντίληψης μαγνητικών πεδίων στα πτηνά το 1978, μαζί με τους συναδέλφους του Τσαρλς Σουένμπεργκ και Άλμπερτ Βέλερ στο Ινστιτούτο Βιοφυσικής Χημείας Μαξ Πλανκ στη Γερμανία. Η ιδέα βασίζεται στο τι συμβαίνει όταν τα ηλεκτρόνια αποκτούν ενέργεια. Μια πιο οικεία αντίδραση μπορεί να είναι η δημιουργία ρεύματος, όπως σε μια φωτοβολταϊκή συσκευή (ή ηλιακή κυψέλη) όταν ο ήλιος λάμπει, αλλά μπορούν να συμβούν και άλλα φαινόμενα. Τα ηλεκτρόνια προτιμούν να κρέμονται σε ζεύγη, αλλά η απορρόφηση ενέργειας μπορεί να οδηγήσει στη μετακίνηση ενός ηλεκτρονίου από το ένα μόριο στο άλλο. Σε αυτό το σημείο, τόσο το μόριο που κερδίζει όσο και το μόριο που δίνει ένα ηλεκτρόνιο έχουν ασύζευκτα ηλεκτρόνια, αποδίδοντας στα μόρια αυτά τον χίπικο όρο «ελεύθερη ρίζα».

Χιόνι πουλί

Τα ηλεκτρόνια έχουν μια κβαντική ιδιότητα που περιγράφεται ως «περιστροφή», και όταν δύο ελεύθερες ρίζες σχηματίζονται με αυτόν τον τρόπο, οι περιστροφές παίρνουν μια συγκεκριμένη διάταξη που είναι ευαίσθητη στα μαγνητικά πεδία. Αυτό σημαίνει ότι κάθε αλλαγή στη βιοχημεία που υφίσταται το μόριο κατά τη διάρκεια των φυσικών σωματικών διεργασιών του πτηνού – και οι ρυθμοί αυτών των αντιδράσεων – θα επηρεάζονται από την παρουσία μαγνητικού πεδίου. Έτσι, αυτό το «φαινόμενο του ριζικού ζεύγους» θα μπορούσε να επιτρέψει στα πτηνά να αντιλαμβάνονται ένα μαγνητικό πεδίο. Ωστόσο, οι ερευνητές έχουν επίσης προτείνει ότι ένα μικρό κομμάτι μαγνητικού οξειδίου του σιδήρου ενσωματωμένο στο ράμφος ενός πουλιού θα μπορούσε να κάνει σχεδόν το ίδιο πράγμα, λειτουργώντας ως μια μικροσκοπική βελόνα πυξίδας. Σωματίδια μαγνητίτη φτάνουν παντού: Βρίσκονται μέσα στα τρόφιμα που τρώμε και μεταφέρονται με τον αέρα που αναπνέουμε, οπότε είναι αναπόφευκτο να καταλήγουν στους σωματικούς μας ιστούς. Οι άνθρωποι έχουν αναφέρει ότι τα έχουν βρει μέσα στα κεφάλια των πτηνών, αν και όχι εκεί όπου μπορούν να εισέλθουν στον εγκέφαλο ώστε αυτός να αντιλαμβάνεται τα μαγνητικά πεδία. Επιπλέον, ένα κομμάτι μαγνητίτη από μόνο του δεν θα μπορούσε να εξηγήσει τη συμπεριφορά πλοήγησης που παρατηρούν οι άνθρωποι στα πουλιά.

Ο Πίτερ Χορ είναι καθηγητής χημείας στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης, ο οποίος μελετά τους πιθανούς μηχανισμούς που επιτρέπουν στα πτηνά να αντιλαμβάνονται τα μαγνητικά πεδία για περισσότερα από 20 χρόνια, και παραθέτει ορισμένα από τα στοιχεία που συνηγορούν υπέρ του φαινομένου του ριζικού ζεύγους. Μια διαπίστωση είναι ότι τα πτηνά δεν φαίνεται να είναι σε θέση να αντιληφθούν τη διαφορά μεταξύ βόρειου και νότιου πόλου σε ένα μαγνητικό πεδίο, όσο την κατεύθυνση προς έναν πόλο ή έναν ισημερινό. «Αυτό υποδηλώνει ότι [η μαγνητική αντίληψη] δεν βασίζεται σε μαγνητικά ορυκτά, τα οποία συμπεριφέρονται σαν βελόνες πυξίδας», λέει ο Χορ. Βάλτε ένα πουλί στο αντίθετο ημισφαίριο και θα εξακολουθεί να κατευθύνει την πτήση του προς τον ισημερινό για πιο ζεστό καιρό το χειμώνα.

Πηγή: unsplash

Ένα άλλο συναρπαστικό εύρημα είναι ότι φαίνεται ότι το φως είναι απαραίτητο για να αντιληφθούν τα πουλιά, όπως οι κοκκινολαίμηδες, το μαγνητικό πεδίο, και είναι απαραίτητο για να ξεκινήσει το φαινόμενο του ριζικού ζεύγους. Στο κβαντικό επίπεδο, όλες οι μετρήσεις συνοδεύονται από μια ανταλλαγή ενέργειας. Η λεπτομερής εξέταση των μηκών κύματος του φωτός που απορροφάται στο φαινόμενο του ριζικού ζεύγους κατέδειξε επίσης μια συγκεκριμένη πρωτεΐνη: το κρυπτόχρωμα 4. Ο Σούλτεν πρότεινε το 2000 ότι μια πρωτεΐνη κρυπτοχρώματος θα μπορούσε να είναι ένας πιθανός υποψήφιος για τη φιλοξενία του μηχανισμού του ριζικού ζεύγους στα πτηνά, αν και τότε τα κρυπτοχρώματα μόλις είχαν ανακαλυφθεί και ήταν γνωστό μόνο ένα. Η Λίντβογκελ ξεκίνησε το διδακτορικό της μόλις λίγα χρόνια αργότερα και άρχισε να εξετάζει τα κρυπτοχρώματα που ήταν τότε γνωστά στα πτηνά, μια μελέτη που περιγράφει ως «τρελά δύσκολη», πριν προσθέσει στη συνέχεια: «Τώρα, με πολύ περισσότερες αποτυχίες και πολύ περισσότερες γνώσεις επίσης, καταλαβαίνουμε γιατί συνέβαινε αυτό». Αποδεικνύεται ότι ενώ τα κρυπτοχρώματα 1, 2 και 4 βρίσκονται στα μάτια αυτών των μεταναστευτικών πτηνών, η σύνδεση μεταξύ των κρυπτοχρωμάτων 1 και 2 και της κρίσιμης χρωστικής που απορροφά το φως στο φαινόμενο του ριζικού ζεύγους δεν είναι σχεδόν τόσο ισχυρή όσο είναι για το κρυπτόχρωμα 4 που ανακαλύφθηκε αργότερα.

Η προσεκτική μελέτη των μηκών κύματος του φωτός που απορροφάται από το κρυπτόχρωμα 4 αποκάλυψε ποιες ακριβώς ρίζες σχηματίζονται. Το 2021, ο Χορ και οι συνεργάτες του μπόρεσαν να ελέγξουν την ευαισθησία του κρυπτοχρώματος 4 στο μαγνητικό πεδίο από ένα κοκκινολαίμη, που μεταναστεύει, και να τη συγκρίνουν με εκείνη ενός κοτόπουλου, που δεν μεταναστεύει. Έδειξαν ότι η πρωτεΐνη του κοκκινολαίμη είχε μεγαλύτερη ευαισθησία στα μαγνητικά πεδία από εκείνη του κοτόπουλου. Επιπλέον, όταν μετάλλαξαν τα υποψήφια τμήματα της πρωτεΐνης που είχαν επισημανθεί ως σχηματιστές των ριζών, δεν εντοπίστηκαν επιδράσεις στην ευαισθησία στα μαγνητικά πεδία. Όλα αυτά συνηγορούσαν έντονα υπέρ του μηχανισμού ζεύγους ριζών στις πρωτεΐνες του κρυπτοχρώματος 4 ως βάση για την ευαισθησία των πτηνών στα μαγνητικά πεδία, παρά τις μικροσκοπικές τιμές των εμπλεκόμενων ενεργειών. Η ισχύς του μαγνητικού πεδίου της Γης στην επιφάνεια είναι μόλις 50 μικροτέσλα – μια τυπική ιατρική μαγνητική τομογραφία χρησιμοποιεί πεδία τουλάχιστον 20.000 φορές υψηλότερα – οπότε οι ενέργειες στις οποίες αντιστοιχούν αυτές οι αλληλεπιδράσεις είναι μικροσκοπικές: Ένα εκατομμύριο φορές μικρότερες από τη θερμική ενέργεια των μορίων που απλώς κουνιούνται στη θερμοκρασία του σώματος.

Με την ανακάλυψη του κρυπτοχρώματος 4 και τις αποδείξεις υπέρ του φαινομένου του ριζοσπαστικού ζεύγους, η Λίντβογκελ πήρε μια άλλη κατεύθυνση και άρχισε να αναζητά ενδείξεις προσαρμοστικής επιλογής που βελτιστοποιεί την πρωτεΐνη στην εξέλιξη των πτηνών που μεταναστεύουν εποχιακά. Μαζί με την Κορίνα Λανγκεμπρέικ, η οποία ολοκλήρωνε τότε το διδακτορικό της μαζί με τη Λίντβογκελ στο ΙΑΡ, εξέτασαν όλες τις γνωστές αλληλουχίες του γονιδιώματος των πτηνών και συνέκριναν τις περιοχές που σχετίζονται με την παραγωγή των κρυπτοχρωμάτων στα πτηνά που μεταναστεύουν σε σχέση με εκείνα που δεν μεταναστεύουν. Διαπίστωσαν ότι στα κρυπτοχρώματα 1 και 2 υπήρχε πολύ μικρή διαφοροποίηση μεταξύ των ειδών, γεγονός που μπορεί να είναι ενδεικτικό ότι οι εν λόγω πρωτεΐνες είναι καθολικά απαραίτητες, καθώς οι αλλαγές θα ήταν τότε επικίνδυνες για την επιβίωση. Όπως επισημαίνει η Λίντβογκελ, οι πρωτεΐνες αυτές είναι υπεύθυνες για τη διατήρηση των κιρκάδιων ρυθμών – το «ρολόι του σώματος» – οπότε όλα αυτά τα πολλά προστίθενται. Επιπλέον, διαπίστωσαν υψηλότερα επίπεδα μεταβολής όχι μόνο στο κρυπτόχρωμα 4 των μεταναστευτικών πτηνών σε σχέση με τα μη μεταναστευτικά πτηνά, αλλά και στην περιοχή του κρυπτοχρώματος 4 που παράγει ρίζες στο φαινόμενο του ριζικού ζεύγους. Υπάρχουν επίσης και άλλες περιοχές με προφανώς υψηλή επιλεκτικότητα στο κρυπτόχρωμα 4, γεγονός που ενδεχομένως υποδεικνύει μια πρόσθετη αλλά άγνωστη ακόμη λειτουργία της πρωτεΐνης. Ίσως πιο δύσκολο να εξηγηθεί, ωστόσο, είναι η απουσία του κρυπτόχρωμου 4 σε μια ομάδα πτηνών που περιλαμβάνει μοναχικούς νυχτερινούς αποδημητές μεγάλων αποστάσεων, τους τυραννίδες. Βρίσκονται σε εξέλιξη πειράματα συμπεριφοράς για να εξεταστεί αν αυτά τα πτηνά μπορούν να αισθανθούν το μαγνητικό πεδίο της Γης με τον τρόπο που προσπαθεί να εξηγήσει το μοντέλο του μηχανισμού του ριζικού ζεύγους κρυπτοχρώματος 4, αλλά η κριτική επιτροπή δεν έχει ακόμη αποφασίσει.

Εν τω μεταξύ, ένα έγγραφο που δημοσιεύθηκε νωρίτερα φέτος δείχνει ότι μπορεί να υπάρχει ένα όριο στο πόσο μακριά μπορεί να φτάσει η εξέλιξη όσον αφορά τη βελτίωση της ευαισθησίας ενός πτηνού στα μαγνητικά πεδία χάρη σε μια θεμελιώδη αρχή της κβαντομηχανικής. «Υπάρχουν συμβιβασμοί σε όλες τις πτυχές της φυσικής πραγματικότητας», εξηγεί ο Γιάννης Κομίνης, αναπληρωτής καθηγητής στο Πανεπιστήμιο Κρήτης στην Ελλάδα, η έρευνα του οποίου επικεντρώνεται στην κβαντική ανίχνευση και την κβαντική βιολογία παράλληλα εδώ και 15 χρόνια. Ένας βασικός συμβιβασμός στην κβαντομηχανική είναι η αρχή της αβεβαιότητας του Χάιζενμπεργκ, η οποία περιορίζει το πόσο επακριβώς μπορείς να προσδιορίσεις δύο μεταβλητές, όπως η ενέργεια και ο χρόνος – όσο καλύτερα μπορείς να χειριστείς τη μία, τόσο λιγότερο μπορείς να χειριστείς την άλλη. Αν ακολουθήσεις αυτή τη γραμμή μαθηματικών και λογικής μέχρι τα φυσικά της συμπεράσματα, και δεδομένου του χρόνου που χρειάζεται για να συμβεί μια φυσική διαδικασία, τότε τελικά καταλήγεις σε ένα μικροσκοπικό αλλά πεπερασμένο κβάντο ενέργειας κάτω από το οποίο δεν μπορείς να πέσεις. Δεδομένου ότι μια μέτρηση πρέπει να συνοδεύεται από μια ανταλλαγή ενέργειας, αυτό θέτει ένα θεμελιώδες όριο στην επιτεύξιμη ευαισθησία – είτε αυτή προέρχεται από μια κβαντική συσκευή που λειτουργεί σε ένα εργαστήριο σε κρυογονικές θερμοκρασίες είτε από μια πρωτεΐνη στο μάτι ενός πουλιού. Νωρίτερα φέτος, ο Κομίνης, μαζί με έναν προπτυχιακό φοιτητή του πανεπιστημίου, τον Ευθύμιο Γκουδινάκη, έδειξαν ότι το όριο αυτό γίνεται σεβαστό στο ζωικό βασίλειο, αν και η ευαισθησία που επιτυγχάνεται με τον μηχανισμό ριζικού ζεύγους θα μπορούσε να πλησιάσει πολύ κοντά σε αυτό το όριο.

«Φαίνεται ότι η φύση έχει επινοήσει την κβαντική τεχνολογία πριν από εμάς, και αυτό δεν ακούγεται τόσο τρελό, σωστά;» λέει ο Κομίνης. «Το αντίθετο θα σήμαινε ότι είμαστε πιο έξυπνοι από τη φύση». Υποστηρίζει επίσης ότι όπου η ευαισθησία που επιτυγχάνεται δεν είναι τόσο κοντά στο όριο, υπάρχει περιθώριο να προωθηθεί η τεχνολογία κβαντικής ανίχνευσης χρησιμοποιώντας «την πνευματική ιδιοκτησία από τη μητέρα φύση για να προσπαθήσουμε να φτιάξουμε ένα καλύτερο προϊόν».

Οι κβαντικοί υπολογισμοί έχουν επίσης αναδείξει πιθανές αποδείξεις υπέρ του φαινομένου του ριζικού ζεύγους μέσω της απόκρισης των πτηνών στον μαγνητικό «θόρυβο». Οι υπολογισμοί δείχνουν ότι τα ηλεκτρόνια του ριζικού ζεύγους ανταλλάσσουν στην πραγματικότητα καταστάσεις «περιστροφής» σε συγκεκριμένες συχνότητες, πράγμα που σημαίνει ότι τα πτηνά θα μπορούσαν να αποπροσανατολιστούν εάν εκτεθούν σε μαγνητικό πεδίο που κυμαίνεται σε αυτές τις συχνότητες. «Δεν είναι συχνό φαινόμενο να μπορείς να κάτσεις στον υπολογιστή σου και να κάνεις κάποιους κβαντομηχανικούς υπολογισμούς και να προβλέψεις πώς θα συμπεριφερθεί ένα ζώο», προσθέτει ο Χορ.

Πριν από 10 χρόνια, ο Χορ συνεργάστηκε με τον Χένρικ Μούριτσεν και τους συναδέλφους του στο Πανεπιστήμιο του Όλντενμπουργκ της Γερμανίας, δείχνοντας ότι οι κοκκινολαίμηδες αποπροσανατολίζονται παρουσία αστικού ηλεκτρομαγνητικού θορύβου – αν και τα πουλιά ήταν ευαίσθητα σε επίπεδα θορύβου χαμηλότερα από αυτά που είχαν υποδείξει οι υπολογισμοί. Ο Μούριτσεν και οι συνάδελφοί του εξετάζουν τώρα τις συχνότητες στις οποίες ένα πουλί αποπροσανατολίζεται. Μέχρι στιγμής, αυτές ταυτίζονται μάλλον καλά με όσα έχουν υπολογιστεί για τον μηχανισμό ριζικού ζεύγους, αλλά ο Χορ εξηγεί ότι τέτοιες δοκιμές συμπεριφοράς είναι χρονοβόρες, εν μέρει επειδή μπορούν να διεξαχθούν μόνο κατά τη διάρκεια της περιόδου μετανάστευσης.

Αν και οι Χορ και Λίντβογκελ είναι επιφυλακτικοί στο να υποδηλώνουν ότι η υπόθεση έχει κλείσει, τα αυξανόμενα δεδομένα σχετικά με τη συμπεριφορά των πτηνών, τις πρωτεΐνες τους και το φαινόμενο του ριζικού ζεύγους φαίνεται να συγκλίνουν σε μια εξήγηση για την ευαισθησία των πτηνών στα μαγνητικά πεδία. Αν είναι σωστή, πρόκειται για ένα απίστευτο κατόρθωμα κβαντικής ανίχνευσης που δεν επιτεύχθηκε σε κάποιο κρυογενικό εργαστήριο υψηλής τεχνολογίας, αλλά στο ακατάστατο οργανικό περιβάλλον του ματιού ενός πουλιού. «Σίγουρα βλέπω τα πουλιά με διαφορετικό μάτι», λέει ο Χορ. «Ο όρος “μυαλό πουλιού” είναι συνήθως προσβολή – τώρα τον θεωρώ κομπλιμέντο».

Με πληροφορίες από Guardian

Tags