بر اساس مدل «جفت بنیادی»[1]،  بعضی از پرندگان مهاجر از اسپین الکترون بهره می برند تا با استفاده از میدان مغناطیسی زمین به مسیریابی بپردازند. مطالعه ای جدیدی از فیزیکدانان در سنگاپور این ایده را تقویت کرده است؛ آن ها نشان داده اند که فرایندهای اسپینی و دینامیک مولکول های قطب نما در مقیاس های زمانی مشابهی رخ می دهند. این گروه همچنین، نشان می دهد که می توان با استفاده از نویز محیطی، حساسیت قطب نمای پرندگان را افزایش داد. با این حال، برخی دیگر از پژوهشگران این حوزه، این نتایج را درست نمی دانند.

این سینه سرخ طول عمر بیشتر جفت بنیادی را ترجیح می دهد؟

باور بر این است که بسیاری از پرندگان با استفاده از میدان مغناطیسی زمین در فواصل طولانی پرواز می کنند. تصور می شود که برخی از گونه ها –مانند سینه سرخ اروپایی- از قطبش میدان ژئومغناطیسی استفاده نمی کنند بلکه در عوض، از جهت گیری آن نسبت به محور افقی سود می برند و با این کار جهات شمال و جنوب را استخراج می کنند. همچنین اعتقاد بر این است که عضو حساس به مغناطیس این پرندگان، در چشم آن ها قراردارد.

فرضیه جفت-بنیادی می گوید که فوتون های ورودی مولکول های رتینای پرنده را تحریک کرده و باعث می شود تا الکترون بین دو مولکولی همسایه منتقل شود و در هر کدام از این مولکول ها، یک اسپین الکترون جفت نشده باقی بماند. وقتی مولکول ها برانگیخته بمانند، آن اسپین ها تمایل دارند که همجهت یا خلاف جهت باشد-این ها در واقع به ترتیب همان حالت های سینگلت و تریپلت مشهور هستند- و البته این که کدام یک رخ دهد، به جهت گیری مولکول ها در میدان مغناطیسی خارجی بستگی دارد.

سینگلت ها و تریپلت ها

مولکول های در امتداد خطوط میدان، تمایل به حالت سینگلت دارند. بنابراین پرنده می تواند جهت میدان مغناطیسی را با مقایسه اثر میدان بر مولکول های آرایش یافته رتینا در زوایای مختلف تعیین کند. بر اساس نسخه مشهوری از این فرضیه، سینگلت ها و تریپلت ها پیغام های شیمیایی متفاوتی به مغز پرنده می فرستند.

سال گذشته، اریک گاجر[2] و همکارانش در دانشگاه آکسفورد و دانشگاه ملی سنگاپور محاسبه کردند که نوعا این جفت مولکول ها چقدر برانگیخته باقی می مانند. آن ها با استفاده از مطالعات رفتاری این مقدار را محاسبه کردند که نشان می داد میدان های مغناطیسی نوسانی چگونه حس جهت گیری سینه سرخ های اروپایی را تغییر می دهد. گروه گاجر با اختیار کمترین مقدار شدت میدان که در آن پرنده ناتوان از جهت یابی بود، «طول عمر جفت بنیادی» را حدود 100 میکروثانیه به دست آوردند. آن ها با منظور کردن چشمه های نویزهای محیطی، فهمیدند که حالت های کوانتومی تولیدشده توسط مولکول های برانگیخته باید در حدود همین زمان دوام بیاورند(Phys. Rev. Lett. 106 040503). این محققان اشاره کردند که این طول عمر فراتر از طول عمر حالت های کوانتومی تولیدشده در آزمایشگاه است. همین امر باعث شد تا این دیدگاه تضعیف شود که حیات [محیطی] بسیار «گرم و مرطوب» برای بروز پدیده های ظریف مکانیک کوانتومی است.

با این وجود، در پژوهش جدید(Phys. Rev. Lett. 109 110502)، داگومیر کازلیکوفسکی[3] و همکارانش در دانشگاه ملی سنگاپور استدلال می کنند که کار گروه گاجر نمی تواند مطالعه رفتاری دیگری را توضیح دهد که با استفاده از میدان ثابت مصنوعی انجام شد. آن مطالعه نشان داد که وقتی پرندگان شدت میدان کلی حداقل یک سوم بیشتر یا کمتر از میدان ژئومغناطیسی طبیعی را تجربه می کنند، جهت خود را گم می کنند. گروه کازلیکوفسکی با منظور کردن این مطالعه، عمر جفت بنیادی را حدود 5-7 میکروثانیه به دست آورد.

هر چه کوتاهتر، بهتر!

پژوهشگران می گویند که این تصویر به خوبی با زمان برانگیختگی کریپتوکروم[4] همخوانی دارد. کریپتوکروم مولکولی رندگانه ای است که تصور می شود در رتینای سینه سرخ های اروپایی، تولید جفت های بنیادی کند. به علاوه، کازلیکوفسکی و همکارانش به طور نظری نشان می دهند که قطب نمای سینه سرخ ها می تواند تحت شرایطی خاص، به تغییرات حساس تر باشد. وقتی نویز محیطی وجود دارد، حساسیت به تغییرات جهتگیری نسبی میدان مغناطیسی زمین بیشتر است. بنابراین، آن ها نتیجه می گیرند که حالت های کوانتومی با دوام، مانع از ناوبری پرندگان می شوند.

گاجر و همکارش سایمون بنجامین[5] از دانشگاه آکسفورد، در مقام پاسخ به پژوهش اخیر، می گویند که این تصویر جدید از طول عمر جفت بنیادی قابل اتکا نیست و می گویند که کازلیکوفسکی و همکارانش به صورت انتخابی از داده ها استفاده کردند. اگر آن ها داده هایشان را به طور متفاوت انتخاب نمی کردند، «تصویر آن ها خیلی با تصویر ما فرق نمی کرد».

سولات مهم اما بی جواب

بنجامین تاکید می کند هر طور که نگاه کنیم داده ها این پرسش بی پاسخ را تغییر نمی دهد: چرا انقدر طول می کشد تا سینه سرخ ها مغناطیس خود را بخوانند؟ او می گوید که جهت گیری میدان در حدود 10 یا 100 نانوثانیه مشخص می شود و پرنده خیلی علاقه ندارد زمان بیشتری را صرف کند. چون فرایند سریع تر به معنی اطلاعات بیشتر و در نهایت سیگنال بهتر است.

او باور دارد که پاسخ این پرسش در سازوکاری فیزیکی(و نه شیمیایی) نهفته است. وی با توصیف مدلی که اخیرا با مرحوم مارشال استونهام[6] توسعه داده است، می گوید: هر جفت مولکول برانگیخته توسط فوتون های ورودی، مانند دوقطبی الکتریکی بسیار کوچک عمل می کند و جمع این دوقطبی باعث تولید میدان الکتریکی در چشم می شود. چنین میدان هایی مستقیما بینایی را تحت تاثیر قرار داده و منجر به نواحی درخشان و تاریک می شود. چون حالت های تریپلت دوام بیشتری دارند، میدان بزرگتری تولید می کنند. او می افزاید:«زمان برانگیختگی طولانی تر منجر به اثرات بینایی قوی تر می شود و به جای آن که قطب نما را بدتر کند، آن را بهتر می کند. این مدل به نظر مسیر تکاملی بهتری دارد.»

منبع:

Does noise improve a bird's spin-based compass?, Edwin Cartlidge, Physicsworld.com, link

مرجع:

Quantum Coherence and Sensitivity of Avian Magnetoreception, Phys. Rev. Lett. 109, 110502 (2012), link