Il modello si concentra sulla produzione e manipolazione di coppie di molecole radicaliche con spin entangled nella retina degli occhi degli uccelli. Queste molecole potrebbero teoricamente percepire il campo magnetico terrestre e trasmettere queste informazioni al cervello dell'uccello per consentire la navigazione.
Ma la prova di concetto originale di questo modello prevedeva che il tasso di produzione delle coppie di radicali intrecciati fosse troppo lento per essere biologicamente utile, e i ricercatori hanno lottato a lungo per trovare un modo per aggirare questo problema.
Nel loro nuovo studio, pubblicato oggi su Nature, un team di scienziati dell'Università della California, Berkeley; Caltech; e l’Università Nazionale Australiana di Canberra, in Australia, hanno sviluppato un nuovo approccio che supera questa limitazione di velocità.
"Il nostro lavoro fornisce un percorso verso una bussola biologica basata sulla meccanica quantistica", ha affermato l'autore principale Peter Hore, professore emerito di chimica fisica presso l'Università di Oxford e studioso in residenza presso l'UC Berkeley.
I biologi sanno fin dall’inizio degli anni ’70 che alcuni uccelli migratori contengono magnetite, un minerale di ossido di ferro leggermente magnetico, in cellule specializzate nel loro becco. Una spiegazione è che gli uccelli hanno una bussola quantistica, in cui gli elettroni nella magnetite sono disposti in un modo molto specifico che consente il rilevamento del campo magnetico terrestre.
Tuttavia, questo modello basato sulla magnetite deve affrontare due sfide importanti, ha affermato Adam Willard, professore di chimica dell’UC Berkeley, coautore dell’articolo. Innanzitutto, la magnetite da sola non offre una spiegazione su come gli uccelli possano percepire il debole campo magnetico della Terra, circa un decimillesimo più forte del campo di un magnete da frigorifero. In secondo luogo, la magnetite non spiega come alcuni uccelli migratori a lunga distanza possano percepire la direzione del campo magnetico con sufficiente precisione per migrare verso nord o sud.
Una spiegazione più promettente si basa sulla meccanica quantistica, un fenomeno del mondo naturale che avviene a livello degli atomi e delle particelle subatomiche. La coerenza quantistica, un tipo specifico di effetto quantistico che coinvolge il comportamento di coppie di particelle che si collegano o “aggrovigliano”, è stata dimostrata nella fotosintesi e in altri processi biologici, ed è attualmente in fase di studio nel campo dell’informatica quantistica.
L’entanglement quantistico è anche la base per la ricombinazione delle coppie di radicali, un modo in cui l’energia può essere trasferita tra due molecole quando i loro elettroni sono legati.
I ricercatori si sono concentrati su un tipo specifico di coppia di radicali entangled, formata tra due proteine criptocromo, che si trova in vari organismi, inclusi animali e piante. Queste coppie di radicali potrebbero interagire con il campo magnetico terrestre in modo tale che le loro proprietà diventino leggermente diverse a seconda dell'orientamento della molecola rispetto al campo, che potrebbe quindi fungere da sorta di bussola.
La prova di concetto originale per la magnetorecezione basata sul criptocromo soffriva di un difetto cruciale, ha affermato Hore. Gli uccelli devono essere altamente sensibili a qualsiasi cambiamento nel campo magnetico, e la quantità di cambiamento causato dall’interazione di una singola coppia di radicali con il debole campo magnetico terrestre sarebbe minima. Inoltre, i ricercatori hanno calcolato il numero di coppie di radicali che potrebbero formarsi durante il tempo di volo di un uccello e hanno scoperto che è troppo lento per essere utilizzato nella magnetoricezione.
Nel nuovo studio, i ricercatori hanno risolto entrambi questi problemi. Innanzitutto, hanno scoperto che potevano amplificare il segnale proveniente dalle coppie di radicali manipolando l'ambiente chimico delle coppie di radicali, il che aumenta effettivamente la forza dell'interazione tra il campo magnetico e la molecola.
Il team ha anche trovato un modo per accelerare il tasso di produzione della coppia di radicali intrecciati. Propongono di utilizzare impulsi luminosi provenienti dall'orecchio interno dell'uccello per stimolare direttamente la produzione di migliaia di coppie di radicali, invece di fare affidamento sui processi termici e chimici che portano alla formazione di coppie di radicali nelle piante. Poiché anche molti più stati eccitati possono produrre coppie di radicali, ciò supererebbe il problema della lenta produzione di coppie di radicali.
"La fattibilità biologica di queste soluzioni è supportata dall'esistenza sia di pigmenti visivi che di criptocromi nelle retine degli uccelli, e dalla sensibilità dimostrata del criptocromo alla luce blu o ultravioletta", hanno scritto i ricercatori nell'articolo.
Per verificare l'ipotesi, i ricercatori stanno eseguendo esperimenti sui criptocromi nelle specie di uccelli come i pettirossi europei e i diamanti mandarini, nonché nei piccioni viaggiatori.
Willard ha affermato che un’applicazione pratica di questo lavoro potrebbe essere una nuova bussola più sensibile basata sull’entanglement quantistico.
Hore ha aggiunto:"Questo lavoro può anche fornire informazioni su altri comportamenti biologicamente rilevanti, come il notevole senso del tempo di alcuni insetti, in cui un orologio circadiano interno deve in qualche modo interagire con i segnali ambientali esterni".
La ricerca è stata sostenuta dalla National Science Foundation statunitense, dalla W.M. Keck Foundation, l'ufficio di ricerca dell'esercito americano e l'Australian Research Council.
