Buzz
Một nghiên cứu từ Đại học Crete đã mở ra cái nhìn mới về cách mà các loài động vật cảm nhận từ trường, chỉ ra rằng một số cơ chế sinh học có thể đạt độ nhạy gần với mức độ lượng tử. Điều này không chỉ giúp chúng ta hiểu rõ hơn về tự nhiên mà còn mở ra triển vọng phát triển công nghệ đo từ trường tiên tiến, ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
Từ trường của Trái Đất đã từ lâu là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng sâu sắc đến sự sống trên hành tinh. Nó không chỉ bảo vệ Trái Đất khỏi bức xạ vũ trụ mà còn là yếu tố quyết định khả năng định hướng của nhiều loài động vật.
Mặc dù không thể nhìn thấy bằng mắt thường, nhưng từ trường lại là "ngọn hải đăng" giúp nhiều sinh vật, từ cá voi vượt đại dương đến chim bay xuyên lục địa và thậm chí vi khuẩn nhỏ bé, định hướng một cách chính xác. Vậy động vật cảm nhận từ trường để di chuyển trong không gian như thế nào?
Đây là câu hỏi lớn đã thu hút sự chú ý của các nhà khoa học trong nhiều thập kỷ qua, và gần đây, một nghiên cứu từ Đại học Crete đã tiết lộ một phát hiện đáng kinh ngạc: khả năng cảm nhận từ trường ở một số loài động vật có thể đạt đến mức độ nhạy cảm gần với giới hạn lượng tử, tương đương với các thiết bị từ kế hiện đại mà con người chế tạo.
Từ trường không phải là yếu tố mới mẻ trong lịch sử tiến hóa sự sống. Thực tế, nó đã tồn tại từ khi Trái Đất hình thành và ảnh hưởng đến các cơ chế sinh học theo những cách mà con người chưa hoàn toàn lý giải được.
Ở cấp độ vi mô, một số loài vi khuẩn chứa hạt magnetit – khoáng chất sắt từ có khả năng phản ứng với từ trường – giúp chúng định hướng trong môi trường sống của mình. Ở cấp độ cao hơn, nhiều loài động vật cảm nhận từ trường thông qua các tế bào thần kinh đặc biệt, có khả năng phản ứng tinh vi với những thay đổi của từ trường.
Các cơ chế này có thể bao gồm sự tương tác giữa các cặp gốc tự do, phản ứng từ tính của tinh thể magnetit trong tế bào hoặc sự thay đổi điện thế tế bào do tác động của từ trường.
Mặc dù có nhiều giả thuyết về cách mà động vật cảm nhận từ trường, các nhà khoa học vẫn chưa thể xác định rõ cơ chế nào đang hoạt động, hoặc liệu có phải chỉ một cơ chế duy nhất chịu trách nhiệm cho khả năng này. Chính vì vậy, nhóm nghiên cứu tại Đại học Crete đã quyết định đánh giá khả năng nhạy cảm của các cơ chế cảm nhận từ trường trong sinh học, so sánh chúng với các thiết bị từ kế hiện đại nhất.
Họ đã áp dụng phương pháp gọi là giới hạn độ phân giải năng lượng (Energy Resolution Limit - ERL), chỉ số dùng để xác định mức độ chính xác mà một hệ thống có thể đạt được khi đo từ trường. Kết quả thu được rất bất ngờ: ít nhất hai trong số các cơ chế sinh học mà họ nghiên cứu có thể đạt đến độ nhạy gần với giới hạn lượng tử, tương đương với các thiết bị từ kế tiên tiến nhất.
Để hiểu rõ hơn về phát hiện này, cần biết rằng các thiết bị từ kế hiện đại, như SQUID (Superconducting Quantum Interference Device – thiết bị giao thoa lượng tử siêu dẫn), hoạt động bằng cách đo lường chính xác sự thay đổi năng lượng trong từ trường.
Tuy nhiên, khi các phép đo trở nên chính xác hơn, các hiệu ứng lượng tử bắt đầu xuất hiện và gây ra một dạng "nhiễu" tự nhiên, giới hạn khả năng đo đạc của thiết bị. Đây được gọi là giới hạn lượng tử trong đo lường từ trường. Điều đáng ngạc nhiên là khi so sánh với các thiết bị này, các cơ chế cảm nhận từ trường ở động vật cũng có thể đạt mức độ nhạy cảm tương tự.
Các nhà nghiên cứu đã phân tích ba cơ chế chính mà động vật có thể sử dụng để cảm nhận từ trường. Cơ chế đầu tiên là cảm ứng điện từ, trong đó từ trường tác động lên các tế bào thần kinh để tạo tín hiệu điện, sau đó truyền thông tin đến não bộ của động vật. Một số nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng từ trường Trái Đất có thể tạo ra sự thay đổi điện thế nhỏ trong các tế bào lông ở tai trong của chim bồ câu, ảnh hưởng đến khả năng giữ thăng bằng và định hướng của chúng.
Cơ chế thứ hai liên quan đến các cặp gốc tự do, tức là các phản ứng hóa học nhạy cảm với từ trường. Khi các phân tử chứa gốc tự do chịu tác động của từ trường, sự thay đổi trong cân bằng năng lượng có thể tác động đến phản ứng hóa học, từ đó tạo ra tín hiệu mà hệ thần kinh của động vật có thể nhận diện.
Cơ chế thứ ba liên quan đến sự xuất hiện của các tinh thể magnetit trong tế bào, giúp động vật phản ứng với từ trường theo cách trực tiếp về mặt vật lý. Các tinh thể này hoạt động giống như những kim nam châm siêu nhỏ, tự động sắp xếp theo từ trường và kích hoạt các tế bào thần kinh tương ứng.
Bên cạnh ba cơ chế này, một số nhà khoa học còn đề xuất khả năng tồn tại cơ chế kết hợp giữa magnetit sinh học và cặp gốc tự do, trong đó cả hai hệ thống đều đóng vai trò trong việc cảm nhận từ trường của động vật. Tuy nhiên, các nghiên cứu trong lĩnh vực này vẫn đang trong giai đoạn tiến hành và phần lớn chỉ mang tính phỏng đoán. Tuy vậy, một điều chắc chắn là các cơ chế này có độ nhạy cực kỳ cao và có thể giúp con người hiểu thêm về cách các sinh vật trên Trái Đất định hướng bằng từ trường.
Ngoài ý nghĩa sinh học, phát hiện này còn mở ra tiềm năng ứng dụng to lớn trong công nghệ. Nếu con người có thể học hỏi từ cách động vật cảm nhận từ trường với độ nhạy gần với giới hạn lượng tử, chúng ta có thể phát triển các thiết bị từ kế hiện đại hơn, có khả năng đo lường những biến động từ trường cực kỳ nhỏ mà các phương pháp hiện nay chưa thể phát hiện.
Một trong những ứng dụng quan trọng có thể thấy trong y học, nơi các thiết bị quét hình ảnh não không xâm lấn có thể được cải thiện để theo dõi hoạt động thần kinh chính xác hơn. Bên cạnh đó, các hệ thống định vị không cần GPS cũng có thể tận dụng phát hiện này, sử dụng từ trường Trái Đất để điều hướng chính xác mà không cần phụ thuộc vào vệ tinh.
Kết quả nghiên cứu không chỉ giúp chúng ta hiểu rõ hơn về thế giới tự nhiên mà còn mở ra những hướng đi mới cho công nghệ trong tương lai. Đặc biệt, thiên nhiên đã có hàng triệu năm để phát triển những cơ chế này, trong khi con người vẫn đang vật lộn với các thiết bị đo từ trường tinh vi nhất, một số loài động vật có thể đã đạt được mức độ nhạy cảm tối ưu từ rất lâu trước đó.
Điều này lại một lần nữa khẳng định rằng sự tiến hóa sinh học có thể đã chạm đến những giới hạn vật lý mà con người chỉ mới bắt đầu nhận ra. Mặc dù còn nhiều điều cần khám phá, nghiên cứu này nhấn mạnh rằng thiên nhiên vẫn là nguồn cảm hứng vô tận cho những đột phá khoa học trong tương lai. Nếu biết cách học hỏi từ các cơ chế tự nhiên, con người có thể mở ra những chân trời mới trong cả khoa học và công nghệ.
