Các nhà khoa học cho biết, chim sử dụng trường địa từ để định hướng, nhưng thực tế chúng áp dụng cơ chế lượng tử?

Khi nói về sinh học lượng tử, đó là một lĩnh vực nghiên cứu tiên tiến trong ngành sinh học, và hiện nay ngày càng có nhiều bằng chứng về hiệu ứng lượng tử trong sinh vật được phát hiện.

Ngay từ năm 1944, Schrödinger trong cuốn sách 'Cuộc sống là gì?' đã mô tả việc áp dụng cơ học lượng tử vào sinh học để nghiên cứu các hệ thống di truyền. Mặc dù trong nửa thế kỷ sau đó, không có tiến bộ đáng kể nào trong các lĩnh vực liên quan, nhưng trong hai thập kỷ gần đây, hiệu ứng lượng tử xuất hiện ngày càng nhiều trong sinh học, khiến sinh học lượng tử trở thành một lĩnh vực nghiên cứu khoa học nghiêm túc.

Các nhà khoa học đã phát hiện một số hiệu ứng lượng tử trong sinh học, ví dụ như đường hầm lượng tử liên quan đến một số phản ứng được tác động bởi enzyme. Không chỉ giới hạn ở các phản ứng sinh học cơ bản, cơ học lượng tử cũng có thể xuất hiện trong các trường hợp cụ thể hơn, như hiện tượng đối ngẫu sóng - hạt liên quan đến quang hợp và sự di chuyển của chim trong quá trình di cư, có thể phụ thuộc vào các electron trong các cặp gốc phản ứng hóa học ở trạng thái spin.

Mặc dù chúng ta không thể cảm nhận được các hiệu ứng lượng tử, nhưng tế bào của chúng ta cũng có thể phản ứng với từ trường. Gần đây, các nhà khoa học từ Đại học Tokyo đã phát hiện ra rằng huỳnh quang trong tế bào Hela phản ứng với từ trường do hiệu ứng lượng tử. Phát hiện này cung cấp thêm bằng chứng trực tiếp cho giả thuyết 'chim sử dụng hiệu ứng lượng tử để nhận biết từ trường khi điều hướng'.

Nhiều loài động vật bao gồm chim, rùa biển và cá sẽ thực hiện di cư. Đối với những loài này, trường địa từ là một tham chiếu đáng tin cậy trong quá trình di cư đường dài. Tuy nhiên, sự biến đổi của trường địa từ rất nhỏ, trung bình chỉ khoảng 3 nanotesla (nT) và 0,009º mỗi kilômét theo hướng bắc nam và thấp hơn nhiều theo hướng đông tây. Đồng thời, trường địa từ dễ bị nhiễu do các yếu tố khác nhau.

Thực sự khó có thể tưởng tượng được làm thế nào những sinh vật di chuyển nhanh như chim có thể điều hướng với độ chính xác 10-30 km bằng cách sử dụng một trường địa từ như vậy. Ít nhất cũng cần phải có khả năng cảm nhận cực kỳ nhạy để có thể xác định phương hướng chính xác trong việc nhận biết từ trường.

Năm 2018, tạp chí 'Nature' đã công bố một đánh giá về khả năng điều hướng và cảm ứng từ của động vật di cư, tóm tắt ba phương pháp tạo ra cảm ứng từ, bao gồm cảm ứng điện từ, cảm ứng từ dựa trên từ tính và các gốc tự do, nhận biết từ tính của các cặp gốc. Trong số đó, cảm ứng từ dựa trên các cặp gốc có mối quan hệ mật thiết với cơ học lượng tử.

Cryptochrome là một loại protein có trong võng mạc của chim và đã thu hút sự chú ý của các nhà khoa học từ những năm 1990. Dưới các điều kiện bên ngoài như ánh sáng và nhiệt, các liên kết hóa trị của cryptochromes trở nên đồng nhất, tạo thành các nguyên tử hoặc nhóm với các điện tử chưa ghép đôi, đó là các gốc tự do. Theo nguyên tắc loại trừ Pauli, spin của hai điện tử trong liên kết hóa trị phải ngược nhau. Khi các gốc tự do hình thành các cặp, trạng thái spin của chúng được coi là vẫn kết hợp với nhau và có mối quan hệ. Tác động của từ trường chia cắt mức năng lượng ban đầu, tạo ra một bộ ba, thay đổi mức năng lượng và ảnh hưởng đến một số phản ứng hóa học. Theo giả thuyết, sau khi các phản ứng hóa học này truyền đến não của chim, sau khi được xử lý, chim có thể phản ứng với từ trường và điều hướng.

Nhưng đây chỉ là lý thuyết và cần được thử nghiệm thêm. Ví dụ, trong một nghiên cứu năm 2004, các nhà nghiên cứu đã tiếp xúc robins với một từ trường dao động ở tần số và góc theo dự đoán của mô hình, làm suy yếu độ nhạy của các gốc tự do đối với trường địa từ, từ đó làm mất khả năng điều hướng của các loài chim.

Vào năm 2018, hai nghiên cứu về các tính chất phân tử và mô hình biểu hiện của cryptochrome Cry4 đã cho thấy rằng protein này có thể là ứng cử viên cho các cơ quan thụ cảm từ ở chim sẻ và cá vằn Châu Âu.

Trong một nghiên cứu gần đây được công bố trong Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia, các nhà khoa học tại Đại học Tokyo đã trực tiếp quan sát lần đầu tiên phản ứng giả định này - không phải ở tế bào gia cầm mà ở tế bào người. 'Mật mã' này không chỉ được tìm thấy trong võng mạc của chim, mà còn trong nhiều loại tế bào của nhiều sinh vật và được cho là liên quan đến việc điều chỉnh nhịp sinh học. Mặc dù con người không cảm nhận được từ trường, nhưng tế bào của chúng ta cũng chứa các cryptochromes và quá trình tự phát huỳnh quang trong tế bào của con người cũng bị ảnh hưởng bởi từ trường.

Tác giả của bài báo, Jonathan Woodward, nói: 'Chúng tôi không thêm hoặc bớt bất kỳ điều gì từ những tế bào này. Chúng tôi tin rằng đây là bằng chứng mạnh mẽ cho thấy chúng tôi đã quan sát được hoạt động hóa học thuần túy ảnh hưởng đến cấp độ tế bào của quá trình cơ học lượng tử'.

Các nhà khoa học đặt tế bào Hela trong môi trường ánh sáng xanh, kết quả là tế bào phát ra huỳnh quang yếu. Điều này là do cryptochrome vào trạng thái năng lượng cao sau khi hấp thụ photon và chuyển điện tử bên trong tạo ra các cặp gốc tự do. Khi các cặp gốc tái kết hợp, chúng phát ra photon và tạo ra huỳnh quang.

Trong quá trình này, vì các gốc tự do giữ trạng thái liên quan với điện tử bên trong, nên nó có thể coi là bị ảnh hưởng bởi từ trường. Mức năng lượng bị tách ra dưới tác động của từ trường, chuyển từ trạng thái đơn sang ba, và tốc độ tạo cặp gốc giảm. Trong thí nghiệm, huỳnh quang của tế bào trở nên tối hơn.

Các thí nghiệm đã sử dụng một từ trường khác lên các tế bào Hela và phát hiện rằng dưới tác động của từ trường ± 25 mT, huỳnh quang của tế bào giảm từ 1% đến 2,5% so với khi không có từ trường. Có thể trong tế bào soma của con người, những tia huỳnh quang này khó phát hiện, nhưng nếu nó ở võng mạc của một con chim thì có thể phản ứng với thay đổi trong từ trường.

Woodward nói: 'Thú vị về nghiên cứu này là mối quan hệ giữa spin của hai electron có thể ảnh hưởng đến sinh học một cách lớn'.

Có thể có một mối liên hệ giữa lượng tử và hành vi sinh học, điều này đủ để khiến chúng ta tự đặt ra câu hỏi về những khía cạnh khác của sinh học được gây ra bởi những hiện tượng kỳ lạ trong vật lý cơ bản.