Een nieuw theoretisch model heeft een hindernis overwonnen bij het verklaren hoe vogels, en mogelijk andere dieren, het magnetische veld van de aarde gebruiken om over lange afstanden te navigeren.

Het model richt zich op de productie en manipulatie van paren spin-verstrengelde radicaalmoleculen in het netvlies van vogelogen. Deze moleculen zouden theoretisch het magnetische veld van de aarde kunnen waarnemen en deze informatie doorgeven aan de hersenen van de vogel om navigatie mogelijk te maken.

Maar de oorspronkelijke proof-of-concept voor dit model voorspelde dat de productiesnelheid van de verstrengelde radicaalparen te laag zou zijn om biologisch bruikbaar te zijn, en onderzoekers hebben lang moeite gehad om een ​​manier te vinden om dit probleem te omzeilen.

In hun nieuwe studie, vandaag gepubliceerd in Nature, heeft een team van wetenschappers van de University of California, Berkeley; Caltech; en de Australian National University in Canberra, Australië, hebben een nieuwe aanpak ontwikkeld die deze snelheidsbeperking overwint.

"Ons werk biedt een pad naar een op kwantummechanisch gebaseerd biologisch kompas", zegt hoofdauteur Peter Hore, emeritus hoogleraar fysische chemie aan de Universiteit van Oxford en gastonderzoeker in residentie aan UC Berkeley.

Biologen weten sinds het begin van de jaren zeventig dat bepaalde trekvogels magnetiet, een ijzeroxide-mineraal dat enigszins magnetisch is, in gespecialiseerde cellen in hun snavel hebben. Eén verklaring is dat de vogels een kwantumkompas hebben, waarin de elektronen in magnetiet op een heel specifieke manier zijn gerangschikt, waardoor detectie van het magnetische veld van de aarde mogelijk is.

Dit op magnetiet gebaseerde model staat echter voor twee grote uitdagingen, zegt scheikundeprofessor Adam Willard van UC Berkeley, co-auteur van het artikel. Ten eerste biedt magnetiet alleen geen verklaring voor de manier waarop vogels het zwakke magnetische veld van de aarde kunnen waarnemen, dat ongeveer een tienduizendste zo sterk is als het veld van een koelkastmagneet. Ten tweede verklaart magnetiet niet hoe bepaalde trekvogels over lange afstanden de richting van het magnetische veld met voldoende precisie kunnen waarnemen om naar het noorden of het zuiden te migreren.

Een veelbelovendere verklaring is gebaseerd op de kwantummechanica – een fenomeen in de natuurlijke wereld dat plaatsvindt op het niveau van atomen en subatomaire deeltjes. Kwantumcoherentie, een specifiek type kwantumeffect waarbij het gedrag betrokken is van deeltjesparen die met elkaar verbonden of ‘verstrengeld’ raken, is aangetoond in fotosynthese en andere biologische processen, en wordt momenteel onderzocht op het gebied van kwantumcomputers.

Kwantumverstrengeling is ook de basis voor recombinatie van radicaalparen – een manier waarop energie kan worden overgedragen tussen twee moleculen wanneer hun elektronen verstrengeld zijn.

Onderzoekers hebben zich geconcentreerd op één specifiek type verstrengeld radicaalpaar, gevormd tussen twee cryptochroomeiwitten, dat wordt aangetroffen in verschillende organismen, waaronder dieren en planten. Deze radicaalparen kunnen op zo'n manier met het magnetische veld van de aarde interageren dat hun eigenschappen iets anders worden, afhankelijk van de oriëntatie van het molecuul ten opzichte van het veld, dat dan als een soort kompas zou kunnen dienen.

Het oorspronkelijke proof-of-concept voor op cryptochroom gebaseerde magnetoreceptie leed aan een cruciale fout, zei Hore. Vogels moeten zeer gevoelig zijn voor veranderingen in het magnetische veld, en de hoeveelheid verandering die wordt veroorzaakt door de interactie van een enkel radicaalpaar met het zwakke magnetische veld van de aarde zou miniem zijn. Bovendien berekenden de onderzoekers het aantal radicaalparen dat tijdens de vliegtijd van een vogel kon worden gevormd en ontdekten dat dit veel te langzaam was om van nut te zijn bij magnetoreceptie.

In de nieuwe studie hebben de onderzoekers beide problemen opgelost. Ten eerste ontdekten ze dat ze het signaal van de radicaalparen konden versterken door de chemische omgeving van de radicaalparen te manipuleren, wat de sterkte van de interactie tussen het magnetische veld en het molecuul effectief vergroot.

Het team bedacht ook een manier om de productiesnelheid van het verstrengelde radicale paar te versnellen. Ze stellen voor om lichtpulsen uit het binnenoor van de vogel te gebruiken om de productie van duizenden radicalenparen direct te stimuleren, in plaats van te vertrouwen op de thermische en chemische processen die leiden tot de vorming van radicalenparen in planten. Omdat veel meer aangeslagen toestanden ook radicaalparen kunnen produceren, zou dit het probleem van de langzame productie van radicaalparen kunnen overwinnen.

"De biologische haalbaarheid van deze oplossingen wordt ondersteund door het bestaan ​​van zowel visuele pigmenten als cryptochromen in het netvlies van vogels, en de aangetoonde gevoeligheid van cryptochroom voor blauw of ultraviolet licht", schreven de onderzoekers in de krant.

Om de hypothese te testen voeren de onderzoekers experimenten uit met cryptochromen bij vogelsoorten zoals roodborstjes en zebravinken, maar ook postduiven.

Willard zei dat een praktische toepassing van dit werk een nieuw, gevoeliger kompas zou kunnen zijn, gebaseerd op kwantumverstrengeling.

Hore voegde eraan toe:"Dit werk kan ook inzichten verschaffen in ander biologisch relevant gedrag, zoals het opmerkelijke tijdsbesef van bepaalde insecten, waarbij een interne circadiane klok op de een of andere manier moet interageren met de externe omgevingsfactoren."

Het onderzoek werd ondersteund door de Amerikaanse National Science Foundation, de W.M. Keck Foundation, het US Army Research Office en de Australian Research Council.