زیست‌شناسی کوانتومی: پرندگان چگونه با استفاده از درهم‌تنیدگی کوانتومی مسیریابی می‌کنند؟

برای دهه‌ها، زیست‌شناسان و فیزیکدانان کوانتوم در دو دنیای کاملا متفاوت زندگی می‌کردند. زیست‌شناسی علم محیط‌های گرم، مرطوب، پر هرج و مرج و پیچیده بود؛ در حالی که مکانیک کوانتوم به عنوان علمی شناخته می‌شد که پدیده‌های آن تنها در محیط‌های به شدت سرد، ایزوله و کنترل‌شده آزمایشگاهی قابل مشاهده است. ایده اینکه حالت‌های ظریف و شکننده کوانتومی بتوانند در داخل یک سلول زنده و در حال تپش دوام بیاورند، تا مدت‌ها از نظر علمی ناممکن به نظر می‌رسید.[5]

با این حال، طبیعت قوانین خاص خود را دارد. هر ساله، میلیاردها پرنده مهاجر مانند سینه سرخ اروپایی سفرهای حماسی خود را در سراسر قاره‌ها آغاز می‌کنند. آن‌ها اقیانوس‌ها، بیابان‌ها و کوهستان‌ها را با دقتی بی‌نظیر پشت سر می‌گذارند، آن هم در تاریکی شب و بدون هیچ راهنمایی. دانشمندان مدت‌ها می‌دانستند که این پرندگان از میدان مغناطیسی زمین به عنوان یک قطب‌نما استفاده می‌کنند، اما معمای بزرگ این بود که این سیستم دقیقا چگونه کار می‌کند.[2]

میدان مغناطیسی زمین به طرز شگفت‌آوری ضعیف است. شدت این میدان به قدری کم است که نمی‌تواند بر واکنش‌های شیمیایی معمولی در بدن یک موجود زنده تاثیر بگذارد. در ابتدا تصور می‌شد که شاید ذرات میکروسکوپی آهن (مگنتیت) در منقار پرندگان مانند سوزن قطب‌نما عمل می‌کنند. اگرچه این ذرات وجود دارند و به عنوان یک «نقشه» جغرافیایی عمل می‌کنند، اما آزمایش‌ها نشان داد که قطب‌نمای اصلی پرندگان برای تشخیص جهت، به شدت وابسته به نور است. اگر پرنده در معرض نور قرمز قرار گیرد یا در تاریکی مطلق باشد، قطب‌نمای او از کار می‌افتد.[3]

این وابستگی به نور، دانشمندان را به سمت شبکیه چشم پرندگان هدایت کرد. در سال ۲۰۰۰، محققان پیشنهاد کردند که راز این قطب‌نما در یک پروتئین حساس به نور آبی به نام «کریپتوکروم» نهفته است. این پروتئین که در سلول‌های گیرنده نور در چشم پرندگان یافت می‌شود، تنها مولکول بیولوژیکی شناخته شده در حیوانات است که می‌تواند میزبان یک واکنش شیمیایی بسیار خاص به نام «مکانیسم جفت‌رادیکال» باشد.[1][3]

داستان از لحظه‌ای آغاز می‌شود که یک فوتون نور آبی وارد چشم پرنده شده و به مولکول کریپتوکروم برخورد می‌کند. این برخورد انرژی کافی برای برانگیختن یک الکترون و انتقال آن به بخش دیگری از مولکول را فراهم می‌کند. نتیجه این انتقال، ایجاد دو مولکول با الکترون‌های جفت‌نشده است که به آن‌ها «جفت‌رادیکال» می‌گویند. این واکنش شیمیایی نقطه آغازین ارتباط بیولوژی با دنیای کوانتوم است.[1]

در این نقطه است که جادوی فیزیک کوانتوم وارد عمل می‌شود. این دو الکترون با وجود اینکه از هم جدا شده‌اند، در حالتی به نام «درهم‌تنیدگی کوانتومی» باقی می‌مانند. درهم‌تنیدگی به این معناست که سرنوشت و ویژگی‌های این دو الکترون به هم گره خورده است و چرخش (اسپین) آن‌ها با یکدیگر هماهنگ است. این الکترون‌ها می‌توانند در دو حالت مختلف کوانتومی قرار بگیرند: حالتی که اسپین‌های آن‌ها در یک جهت است (تریپلت) یا حالتی که اسپین‌های آن‌ها در خلاف جهت هم است (سینگلت).[1][4]

این حالت‌های ظریف کوانتومی به شدت به محیط اطراف خود حساس هستند. در اینجا، میدان مغناطیسی ضعیف زمین وارد عمل می‌شود. زاویه قرارگیری چشم پرنده نسبت به خطوط میدان مغناطیسی زمین، تعیین می‌کند که این جفت‌الکترون‌ها با چه سرعتی بین حالت‌های سینگلت و تریپلت نوسان کنند. این نوسانات کوانتومی، به طور مستقیم بر میزان تولید یک ماده شیمیایی خاص در پایان واکنش تاثیر می‌گذارد.[4]

به عبارت ساده‌تر، پروتئین کریپتوکروم زاویه میدان مغناطیسی را می‌خواند و آن را به یک خروجی شیمیایی تبدیل می‌کند. سپس عصب بینایی این سیگنال شیمیایی را به مغز مخابره می‌کند. بسیاری از دانشمندان معتقدند که پرنده به معنای واقعی کلمه میدان مغناطیسی را «می‌بیند». این میدان احتمالا به صورت یک الگوی سایه‌روشن یا یک فیلتر بصری روی منظره‌ای که پرنده در حال تماشای آن است، ظاهر می‌شود و جهت حرکت را به او نشان می‌دهد.[2]

شواهد تجربی برای این نظریه بسیار قوی است. یکی از شگفت‌انگیزترین آزمایش‌ها نشان داد که اگر پرندگان در معرض امواج رادیویی بسیار ضعیف قرار گیرند، قطب‌نمای آن‌ها کاملا از کار می‌افتد. این امواج رادیویی میلیون‌ها بار ضعیف‌تر از آن هستند که بتوانند تاثیری بر شیمی معمولی بدن بگذارند، اما دقیقا فرکانس لازم برای برهم زدن حالت درهم‌تنیدگی الکترون‌ها در کریپتوکروم را دارند. این پدیده، مهر تاییدی بر ماهیت کوانتومی این مکانیسم بود.[1][2]

تحقیقات اخیر در دانشگاه آکسفورد نشان داده است که تکامل، این سخت‌افزار بیولوژیکی را بهینه‌سازی کرده است. بررسی‌ها مشخص کرد که پروتئین کریپتوکروم در پرندگان مهاجری مانند سینه سرخ، حساسیت مغناطیسی بسیار بالاتری نسبت به همان پروتئین در پرندگان غیرمهاجر مانند مرغ خانگی دارد. طبیعت در طول میلیون‌ها سال، این حسگر کوانتومی را برای سفرهای طولانی کالیبره کرده است تا پرندگان بتوانند با کمترین خطا مسیر خود را بیابند.[2]

با این حال، هنوز معماهای حل‌نشده‌ای وجود دارد. بزرگترین چالش برای فیزیکدانان این است که چگونه این حالت درهم‌تنیدگی کوانتومی می‌تواند برای ده‌ها میکروثانیه در محیط گرم و پر از نویز سلول زنده دوام بیاورد. در کامپیوترهای کوانتومی ساخت دست بشر، حفظ این حالت نیازمند تجهیزات خنک‌کننده عظیم و شرایط خلاء است. به نظر می‌رسد ساختار پروتئین کریپتوکروم به گونه‌ای طراحی شده که از این الکترون‌ها در برابر نویزهای حرارتی محافظت می‌کند.[4]

کشف قطب‌نمای کوانتومی پرندگان، درهای جدیدی را به روی شاخه نوظهور «زیست‌شناسی کوانتومی» باز کرده است. این علم نشان می‌دهد که حیات، بسیار پیچیده‌تر و شگفت‌انگیزتر از ماشین‌های شیمیایی ساده است. درک اینکه چگونه طبیعت توانسته است بر چالش‌های حفظ حالت‌های کوانتومی غلبه کند، نه تنها به ما در درک بهتر مهاجرت حیوانات کمک می‌کند، بلکه می‌تواند الهام‌بخش نسل بعدی حسگرهای کوانتومی و فناوری‌های ناوبری پیشرفته برای انسان باشد. طبیعت، مدت‌ها پیش از ما، فناوری کوانتوم را به تسخیر خود درآورده است.[5]